Skip to main content

Advertisement

Log in

Recent developments and applications of bioinspired silicification

  • Invited Review Paper
  • Published:
Korean Journal of Chemical Engineering Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Bioinspired synthesis of silica has attracted attention from a wide range of researchers as novel route for fabrication of various nanomaterials. Proteins including silaffins and silicateins as well as polyamines from marine diatoms and sponges are key biomolecules in these biomimetic silicification processes. These methods allow silica mineralization from various silica precursors under mild, biologically compatible conditions in an unprecedentedly fast and facile manner. Notably, the silica polycondensation entails the concomitant encapsulation of other molecules in the reaction solutions. Due to the efficient encapsulation and synergetic effects brought by the encapsulated molecules and the characteristics of biomimetic silica synthesis as well as the mechanical and chemical properties of silica itself, the silica- biomolecule nanocomposites have broad applications in biocatalysis, biosensor, and biomedical areas. Introduction and combination of novel template, precursors, inorganics, or enzymes with the previously used strategies will allow construction of more efficient, purpose-optimized silica nanomaterials with controlled size, composition, and morphology.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

References

  1. C. W. P. Foo, S. V. Patwardhan, D. J. Belton, B. Kitchel, D. Anastasiades, J. Huang, R. R. Naik, C. C. Perry and D. L. Kaplan, Proc. Natl. Acad. Sci., 103, 9428 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. I. A. Rahman and V. Padavettan, J. Nanomater., 132424 (2012).

    Google Scholar 

  3. S. V. Patwardhan, Chem. Commun., 47, 7567 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  4. D. J. Belton, O. Deschaume and C. C. Perry, FEBS J., 279, 1710 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  5. U. Schlossmacher, M. Wiens, H. C. Schroder, X. H. Wang, K. P. Jochum and W. E. G. Muller, FEBS J., 278, 1145 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. K. Shimizu, J. Cha, G. D. Stucky and D. E. Morse, Proc. Natl. Acad. Sci., 95, 6234 (1998).

    Article  CAS  Google Scholar 

  7. N. Kroger, R. Deutzmann, C. Bergsdorf and M. Sumper, Proc. Natl. Acad. Sci., 97, 14133 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  8. N. Kroger and N. Poulsen, Annu. Rev. Genet., 42, 83 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  9. F. M. Fernandes, T. Coradin and C. Aime, Nanomaterials, 4, 792 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  10. T. Coradin, A. Coupe and J. Livage, Colloids Surf., B, 29, 189 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. M. Hartmann, Chem. Mater., 17, 4577 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. M. Ramanathan, H. R. Luckarift, A. Sarsenova, J. R. Wild, E. K. Ramanculov, E. V. Olsen and A. L. Simonian, Colloids Surf., B, 73, 58 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  13. C. Zhang, K. L. Yan, C. Y. Hu, Y. L. Zhao, Z. Chen, X. M. Zhu and M. Moller, J. Mater. Chem. B, 3, 1261 (2015).

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. M. Sumper, S. Lorenz and E. Brunner, Angew. Chem. Int. Ed., 42, 5192 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  15. E. Brunner, K. Lutz and M. Sumper, Phys. Chem. Chem. Phys., 6, 854 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. N. Kroger, S. Lorenz, E. Brunner and M. Sumper, Science, 298, 584 (2002).

    Article  CAS  Google Scholar 

  17. C. C. Lechner and C. F. W. Becker, Bioorg. Med. Chem., 21, 3533 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  18. J. N. Cha, K. Shimizu, Y. Zhou, S. C. Christiansen, B. F. Chmelka, G. D. Stucky and D. E. Morse, Proc. Natl. Acad. Sci., 96, 361 (1999).

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. M. M. Murr and D. E. Morse, Proc. Natl. Acad. Sci., 102, 11657 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  20. X. H. Wang, H. C. Schroder and W. E. G. Muller, Trends Biotechnol., 32, 441 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. H. R. Luckarift, J. C. Spain, R. R. Naik and M. O. Stone, Nat. Biotechnol., 22, 211 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  22. N. Poulsen and N. Kroger, J. Biol. Chem., 279, 42993 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  23. N. Kroger, R. Deutzmann and M. Sumper, J. Biol. Chem., 276, 26066 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  24. I. E. Pamirsky and K. S. Golokhvast, Mar. Drugs, 11, 3155 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  25. N. Kroger, R. Deutzmann and M. Sumper, Science, 286, 1129 (1999).

    Article  CAS  Google Scholar 

  26. L. L. S. Canabady-Rochelle, D. J. Belton, O. Deschaume, H. A. Currie, D. L. Kaplan and C. C. Perry, Biomacromolecules, 13, 683 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  27. L. L. Brott, R. R. Naik, D. J. Pikas, S. M. Kirkpatrick, D. W. Tomlin, P. W. Whitlock, S. J. Clarson and M. O. Stone, Nature, 413, 291 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  28. M. Sumper, Science, 295, 2430 (2002).

    Article  CAS  Google Scholar 

  29. M. Sumper, Angew. Chem. Int. Ed., 43, 2251 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  30. L. Betancor and H. R. Luckarift, Trends Biotechnol., 26, 566 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  31. C. Forsyth, T. W. S. Yip and S. V. Patwardhan, Chem. Commun., 49, 3191 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  32. K. H. Min, R. G. Son, M. R. Ki, Y. S. Choi and S. P. Pack, Chemosphere, 143, 128 (2016).

    Article  CAS  Google Scholar 

  33. B. H. Jo, J. H. Seo, Y. J. Yang, K. Baek, Y. S. Choi, S. P. Pack, S. H. Oh and H. J. Cha, ACS Catal., 4, 4332 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  34. W. D. Marner, A. S. Shaikh, S. J. Muller and J. D. Keasling, Biotechnol. Prog., 25, 417 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  35. J. Y. Wang, H. R. Yu, R. Xie, X. J. Ju, Y. L. Yu, L. Y. Chu and Z. Zhang, AIChE J., 59, 380 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  36. G. C. Chen, I. C. Kuan, J. R. Hong, B. H. Tsai, S. L. Lee and C. Y. Yu, Biotechnol. Lett., 33, 525 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  37. S. Emond, D. Guieysse, S. Lechevallier, J. Dexpert-Ghys, P. Monsan and M. Remaud-Simeon, Chem. Commun., 48, 1314 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  38. C. Forsyth and S. V. Patwardhan, J. Mater. Chem. B, 1, 1164 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  39. J. F. Shi, L. Zhang and Z. Y. Jiang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 3, 881 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  40. J. F. Shi and Z. Y. Jiang, J. Mater. Chem. B, 2, 4435 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  41. X. L. Wang, Z. Li, J. F. Shi, H. Wu, Z. Y. Jiang, W. Y. Zhang, X. K. Song and Q. H. Ai, ACS Catal., 4, 962 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  42. M. Castellana, M. Z. Wilson, Y. F. Xu, P. Joshi, I. M. Cristea, J. D. Rabinowitz, Z. Gitai and N. S. Wingleen, Nat. Biotechnol., 32, 1011 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  43. N. Poulsen, C. Berne, J. Spain and N. Kroger, Angew. Chem. Int. Edit., 46, 1843 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  44. V. C. Sheppard, A. Scheffel, N. Poulsen and N. Kroger, Appl. Environ. Microb., 78, 211 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  45. W. E. G. Muller, S. Engel, X. H. Wang, S. E. Wolf, W. G. Tremel, N. L. Thakur, A. Krasko, M. Divekar and H. C. Schroder, Biomaterials, 29, 771 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  46. C. F. Guan, G. Wang, J. Ji, J. H. Wang, H. Y. Wang and M. Tan, J. Sol-Gel Sci. Technol., 48, 369 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  47. S. H. Yang, K. B. Lee, B. Kong, J. H. Kim, H. S. Kim and I. S. Choi, Angew. Chem. Int. Ed., 48, 9160 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  48. H. Lee, D. Hong, J. Y. Choi, J. Y. Kim, S. H. Lee, H. M. Kim, S. H. Yang and I. S. Choi, Chem-Asian J., 10, 129 (2015).

    Article  CAS  Google Scholar 

  49. S. H. Yang, E. H. Ko, Y. H. Jung and I. S. Choi, Angew. Chem. Int. Edit., 50, 6115 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  50. J. H. Park, I. S. Choi and S. H. Yang, Chem. Commun., 51, 5523 (2015).

    Article  CAS  Google Scholar 

  51. W. Xiong, Z. Yang, H. L. Zhai, G. C. Wang, X. R. Xu, W. M. Ma and R. K. Tang, Chem. Commun., 49, 7525 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  52. E. H. Ko, Y. Yoon, J. H. Park, S. H. Yang, D. Hong, K. B. Lee, H. K. Shon, T. G. Lee and I. S. Choi, Angew. Chem. Int. Ed., 52, 12279 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  53. J. Lee, J. Choi, J. H. Park, M. H. Kim, D. Hong, H. Cho, S. H. Yang and I. S. Choi, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 8056 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  54. G. C. Wang, H. J. Wang, H. Y. Zhou, Q. G. Nian, Z. Y. Song, Y. Q. Deng, X. Wang, S. Y. Zhu, X. F. Li, C. F. Qin and R. K. Tang, ACS Nano, 9, 799 (2015).

    Article  CAS  Google Scholar 

  55. C. Jeffryes, S. N. Agathos and G. Rorrer, Curr. Opin. Biotechnol., 33, 23 (2015).

    Article  CAS  Google Scholar 

  56. K. E. Marshall, E. W. Robinson, S. M. Hengel, L. Pasa-Tolic and G. Roesijadi, PLoS One, 7, e33771 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  57. W. R. Yang, P. J. Lopez and G. Rosengarten, Analyst, 136, 42 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  58. N. Adanyi, Z. Bori, I. Szendro, K. Erdelyi, X. H. Wang, H. C. Schroder and W. E. Muller, New Biotechnol., 30, 493 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  59. N. Adanyi, Z. Bori, I. Szendro, K. Erdelyi, X. H. Wang, H. C. Schroder and W. E. G. Muller, Sensor Actuat. B-Chem., 177, 1 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  60. H. R. Luckarift, R. Greenwald, M. H. Bergin, J. C. Spain and G. R. Johnson, Biosens. Bioelectron., 23, 400 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  61. N. A. Pchelintsev, F. Neville and P. A. Millner, Sensor Actuat. BChem., 135, 21 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  62. V. Vamvakaki, M. Hatzimarinaki and N. Chaniotakis, Anal. Chem., 80, 5970 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  63. M. Hatzimarinaki, V. Vamvakaki and N. Chaniotakis, J. Mater. Chem., 19, 428 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  64. F. Neville, N. A. Pchelintsev, M. J. F. Broderick, T. Gibson and P. A. Millner, Nanotechnology, 20, 055612 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  65. P. Zamora, A. Narvaez and E. Dominguez, Bioelectrochemistry, 76, 100 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  66. R. Buiculescu, M. Hatzimarinaki and N. A. Chaniotakis, Anal. Bioanal. Chem., 398, 3015 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  67. R. Buiculescu and N. A. Chaniotakis, Bioelectrochemistry, 86, 72 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  68. F. M. Tian, W. J. Wu, M. Broderick, V. Vamvakaki, N. Chaniotakis and N. Dale, Biosens. Bioelectron., 25, 2408 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  69. O. Choi, B. C. Kim, J. H. An, K. Min, Y. H. Kim, Y. Um, M. K. Oh and B. I. Sang, Enzyme Microb. Technol., 49, 441 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  70. H. R. Luckarift, M. B. Dickerson, K. H. Sandhage and J. C. Spain, Small, 2, 640 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  71. D. H. Nam, J. O. Lee, B. I. Sang, K. Won and Y. H. Kim, Appl. Biochem. Biotechnol., 170, 25 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  72. H. C. Schroder, X. H. Wang, W. Tremel, H. Ushijima and W. E. G. Muller, Nat. Prod. Rep., 25, 455 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  73. H. C. Schroder, O. Boreiko, A. Krasko, A. Reiber, H. Schwertner and W. E. G. Muller, J. Biomed. Mater. Res. B, 75, 387 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  74. M. Wiens, X. H. Wang, U. Schlossmacher, I. Lieberwirth, G. Glasser, H. Ushijima, H. C. Schroder and W. E. Muller, Calcif. Tissue Int., 87, 513 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  75. J. Nickel, M. K. Dreyer, T. Kirsch and W. Sebald, J. Bone Joint Surg. Am., 83, S7 (2001).

    Google Scholar 

  76. M. Wiens, X. H. Wang, H. C. Schroder, U. Kolb, U. Schlossmacher, H. Ushijima and W. E. Muller, Biomaterials, 31, 7716 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  77. P. P. Han, C. T. Wu and Y. Xiao, Biomater. Sci-UK., 1, 379 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  78. H. C. Schroder, M. Wiens, X. Wang, U. Schlossmacher and W. E. Muller, Prog. Mol. Subcell. Biol., 52, 283 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  79. F. Natalio, T. Link, W. E. G. Muller, H. C. Schroder, F. Z. Cui, X. H. Wang and M. Wiens, Acta Biomater., 6, 3720 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  80. W. E. G. Muller, A. Boreiko, X. Wang, A. Krasko, W. Geurtsen, M. R. Custodio, T. Winkler, L. Lukic-Bilela, T. Link and H. C. Schroder, Calcif. Tissue Int., 81, 382 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  81. W. E. G. Muller, X. H. Wang, P. Proksch, C. C. Perry, R. Osinga, J. Garderes and H. C. Schroder, Mar. Biotechnol., 15, 375 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  82. M. Wiens, T. Niem, T. A. Elkhooly, R. Steffen, S. Neumann, U. Schlossmacher and W. E. G. Muller, J. Mater. Chem. B, 1, 3339 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  83. M. Wiens, T. A. Elkhooly, H. C. Schroder, T. H. A. Mohamed and W. E. G. Muller, Acta Biomater., 10, 4456 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  84. M. Wiens, X. H. Wang, F. Natalio, H. C. Schroder, U. Schlossmacher, S. F. Wang, M. Korzhev, W. Geurtsen and W. E. G. Muller, Adv. Eng. Mater., 12, B438 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  85. A. Rai and C. C. Perry, J. Mater. Chem., 22, 4790 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  86. A. J. Mieszawska, L. D. Nadkarni, C. C. Perry and D. L. Kaplan, Chem. Mater., 22, 5780 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  87. A. G. Fincham, J. Moradianoldak, T. G. H. Diekwisch, D. M. Lyaruu, J. T. Wright, P. Bringas and H. C. Slavkin, J. Struct. Biol., 115, 50 (1995).

    Article  CAS  Google Scholar 

  88. H. Masuya, K. Shimizu, H. Sezutsu, Y. Sakuraba, J. Nagano, A. Shimizu, N. Fujimoto, A. Kawai, I. Miura, H. Kaneda, K. Kobayashi, J. Ishijima, T. Maeda, Y. Gondo, T. Noda, S. Wakana and T. Shiroishi, Hum. Mol. Genet., 14, 575 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  89. J. M. Holzwarth and P. X. Ma, Biomaterials, 32, 9622 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  90. W. E. G. Muller, E. Tolba, H. C. Schroder, B. Diehl-Seifert, T. Link and X. H. Wang, Biotechnol. J., 9, 1312 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  91. T. Link, X. H. Wang, U. Schlossmacher, Q. L. Feng, H. C. Schroder and W. E. G. Muller, RSC Adv., 3, 11140 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  92. U. Schlossmacher, H. C. Schroder, X. H. Wang, Q. L. Feng, B. Diehl-Seifert, S. Neumann, A. Trautwein and W. E. G. Muller, RSC Adv., 3, 11185 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  93. W. E. Muller, H. C. Schroder, Q. Feng, U. Schlossmacher, T. Link and X. Wang, J. Tissue Eng. Regen. Med., 9, E39 (2015).

    Article  CAS  Google Scholar 

  94. X. H. Wang, E. Tolba, H. C. Schroder, M. Neufurth, Q. L. Feng, B. Diehl-Seifert and W. E. G. Muller, PLoS One, 9, e112497 (2014)

    Article  CAS  Google Scholar 

  95. S. F. Wang, X. H. Wang, F. G. Draenert, O. Albert, H. C. Schroder, V. Mailander, G. Mitov and W. E. Muller, Bone, 67, 292 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  96. S. Simovic, N. Ghouchi-Eskandar, A. M. Sinn, D. Losic and C. A Prestidge, Curr. Drug Dis. Technol., 8, 269 (2011).

    Article  Google Scholar 

  97. K. I. Sano, T. Minamisawa and K. Shiba, Langmuir, 26, 2231 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  98. I. Rea, N. M. Martucci, L. De Stefano, I. Ruggiero, M. Terracciano, P. Dardano, N. Migliaccio, P. Arcari, R. Tate, I. Rendina and A. Lamberti, Biochim. Biophys. Acta, 1840, 3393 (2014).

    Article  CAS  Google Scholar 

  99. M. N. Tahir, M. Eberhardt, H. A. Therese, U. Kolb, P. Theato, W. E. Muller, H. C. Schroder and W. Tremel, Angew. Chem. Int. Ed., 45, 4803 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  100. M. I. Shukoor, F. Natalio, V. Ksenofontov, M. N. Tahir, M. Eberhardt, P. Theato, H. C. Schroder, W. E. Muller and W. Tremel, Small, 3, 1374 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  101. M. I. Shukoor, F. Natalio, N. Metz, N. Glube, M. N. Tahir, H. A. Therese, V. Ksenofontov, P. Theato, P. Langguth, J. P. Boissel, H. C. Schroder, W. E. Muller and W. Tremel, Angew. Chem. Int. Edit., 47, 4748 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  102. R. H. Jin and J. J. Yuan, Chem. Mater., 18, 3390 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  103. S. V. Patwardhan and C. C. Perry, Silicon-Neth., 2, 33 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  104. Y. Wang, J. Cai, Y. G. Jiang, X. G. Jiang and D. Y. Zhang, Appl. Microbiol. Biotechnol., 97, 453 (2013).

    Article  CAS  Google Scholar 

  105. R. Gordon, D. Losic, M. A. Tiffany, S. S. Nagy and F. A. S. Sterrenburg, Trends Biotechnol., 27, 116 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  106. M. S. Aw, S. Simovic, Y. Yu, J. Addai-Mensah and D. Losic, Powder Technol., 223, 52 (2012).

    Article  CAS  Google Scholar 

  107. C. R. Steven, G. A. Busby, C. Mather, B. Tariq, M. L. Briuglia, D. A. Lamprou, A. J. Urquhart, M. H. Grant and S. V. Patwardhan, J. Mater. Chem. B, 2, 5028 (2014).

    CAS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Hyung Joon Cha.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Jo, B.H., Kim, C.S., Jo, Y.K. et al. Recent developments and applications of bioinspired silicification. Korean J. Chem. Eng. 33, 1125–1133 (2016). https://doi.org/10.1007/s11814-016-0003-z

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s11814-016-0003-z

Keywords

Navigation