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.
Similar content being viewed by others
References
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).
I. A. Rahman and V. Padavettan, J. Nanomater., 132424 (2012).
S. V. Patwardhan, Chem. Commun., 47, 7567 (2011).
D. J. Belton, O. Deschaume and C. C. Perry, FEBS J., 279, 1710 (2012).
U. Schlossmacher, M. Wiens, H. C. Schroder, X. H. Wang, K. P. Jochum and W. E. G. Muller, FEBS J., 278, 1145 (2011).
K. Shimizu, J. Cha, G. D. Stucky and D. E. Morse, Proc. Natl. Acad. Sci., 95, 6234 (1998).
N. Kroger, R. Deutzmann, C. Bergsdorf and M. Sumper, Proc. Natl. Acad. Sci., 97, 14133 (2000).
N. Kroger and N. Poulsen, Annu. Rev. Genet., 42, 83 (2008).
F. M. Fernandes, T. Coradin and C. Aime, Nanomaterials, 4, 792 (2014).
T. Coradin, A. Coupe and J. Livage, Colloids Surf., B, 29, 189 (2003).
M. Hartmann, Chem. Mater., 17, 4577 (2005).
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).
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).
M. Sumper, S. Lorenz and E. Brunner, Angew. Chem. Int. Ed., 42, 5192 (2003).
E. Brunner, K. Lutz and M. Sumper, Phys. Chem. Chem. Phys., 6, 854 (2004).
N. Kroger, S. Lorenz, E. Brunner and M. Sumper, Science, 298, 584 (2002).
C. C. Lechner and C. F. W. Becker, Bioorg. Med. Chem., 21, 3533 (2013).
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).
M. M. Murr and D. E. Morse, Proc. Natl. Acad. Sci., 102, 11657 (2005).
X. H. Wang, H. C. Schroder and W. E. G. Muller, Trends Biotechnol., 32, 441 (2014).
H. R. Luckarift, J. C. Spain, R. R. Naik and M. O. Stone, Nat. Biotechnol., 22, 211 (2004).
N. Poulsen and N. Kroger, J. Biol. Chem., 279, 42993 (2004).
N. Kroger, R. Deutzmann and M. Sumper, J. Biol. Chem., 276, 26066 (2001).
I. E. Pamirsky and K. S. Golokhvast, Mar. Drugs, 11, 3155 (2013).
N. Kroger, R. Deutzmann and M. Sumper, Science, 286, 1129 (1999).
L. L. S. Canabady-Rochelle, D. J. Belton, O. Deschaume, H. A. Currie, D. L. Kaplan and C. C. Perry, Biomacromolecules, 13, 683 (2012).
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).
M. Sumper, Science, 295, 2430 (2002).
M. Sumper, Angew. Chem. Int. Ed., 43, 2251 (2004).
L. Betancor and H. R. Luckarift, Trends Biotechnol., 26, 566 (2008).
C. Forsyth, T. W. S. Yip and S. V. Patwardhan, Chem. Commun., 49, 3191 (2013).
K. H. Min, R. G. Son, M. R. Ki, Y. S. Choi and S. P. Pack, Chemosphere, 143, 128 (2016).
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).
W. D. Marner, A. S. Shaikh, S. J. Muller and J. D. Keasling, Biotechnol. Prog., 25, 417 (2009).
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).
G. C. Chen, I. C. Kuan, J. R. Hong, B. H. Tsai, S. L. Lee and C. Y. Yu, Biotechnol. Lett., 33, 525 (2011).
S. Emond, D. Guieysse, S. Lechevallier, J. Dexpert-Ghys, P. Monsan and M. Remaud-Simeon, Chem. Commun., 48, 1314 (2012).
C. Forsyth and S. V. Patwardhan, J. Mater. Chem. B, 1, 1164 (2013).
J. F. Shi, L. Zhang and Z. Y. Jiang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 3, 881 (2011).
J. F. Shi and Z. Y. Jiang, J. Mater. Chem. B, 2, 4435 (2014).
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).
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).
N. Poulsen, C. Berne, J. Spain and N. Kroger, Angew. Chem. Int. Edit., 46, 1843 (2007).
V. C. Sheppard, A. Scheffel, N. Poulsen and N. Kroger, Appl. Environ. Microb., 78, 211 (2012).
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).
C. F. Guan, G. Wang, J. Ji, J. H. Wang, H. Y. Wang and M. Tan, J. Sol-Gel Sci. Technol., 48, 369 (2008).
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).
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).
S. H. Yang, E. H. Ko, Y. H. Jung and I. S. Choi, Angew. Chem. Int. Edit., 50, 6115 (2011).
J. H. Park, I. S. Choi and S. H. Yang, Chem. Commun., 51, 5523 (2015).
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).
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).
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).
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).
C. Jeffryes, S. N. Agathos and G. Rorrer, Curr. Opin. Biotechnol., 33, 23 (2015).
K. E. Marshall, E. W. Robinson, S. M. Hengel, L. Pasa-Tolic and G. Roesijadi, PLoS One, 7, e33771 (2012).
W. R. Yang, P. J. Lopez and G. Rosengarten, Analyst, 136, 42 (2011).
N. Adanyi, Z. Bori, I. Szendro, K. Erdelyi, X. H. Wang, H. C. Schroder and W. E. Muller, New Biotechnol., 30, 493 (2013).
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).
H. R. Luckarift, R. Greenwald, M. H. Bergin, J. C. Spain and G. R. Johnson, Biosens. Bioelectron., 23, 400 (2007).
N. A. Pchelintsev, F. Neville and P. A. Millner, Sensor Actuat. BChem., 135, 21 (2008).
V. Vamvakaki, M. Hatzimarinaki and N. Chaniotakis, Anal. Chem., 80, 5970 (2008).
M. Hatzimarinaki, V. Vamvakaki and N. Chaniotakis, J. Mater. Chem., 19, 428 (2009).
F. Neville, N. A. Pchelintsev, M. J. F. Broderick, T. Gibson and P. A. Millner, Nanotechnology, 20, 055612 (2009).
P. Zamora, A. Narvaez and E. Dominguez, Bioelectrochemistry, 76, 100 (2009).
R. Buiculescu, M. Hatzimarinaki and N. A. Chaniotakis, Anal. Bioanal. Chem., 398, 3015 (2010).
R. Buiculescu and N. A. Chaniotakis, Bioelectrochemistry, 86, 72 (2012).
F. M. Tian, W. J. Wu, M. Broderick, V. Vamvakaki, N. Chaniotakis and N. Dale, Biosens. Bioelectron., 25, 2408 (2010).
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).
H. R. Luckarift, M. B. Dickerson, K. H. Sandhage and J. C. Spain, Small, 2, 640 (2006).
D. H. Nam, J. O. Lee, B. I. Sang, K. Won and Y. H. Kim, Appl. Biochem. Biotechnol., 170, 25 (2013).
H. C. Schroder, X. H. Wang, W. Tremel, H. Ushijima and W. E. G. Muller, Nat. Prod. Rep., 25, 455 (2008).
H. C. Schroder, O. Boreiko, A. Krasko, A. Reiber, H. Schwertner and W. E. G. Muller, J. Biomed. Mater. Res. B, 75, 387 (2005).
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).
J. Nickel, M. K. Dreyer, T. Kirsch and W. Sebald, J. Bone Joint Surg. Am., 83, S7 (2001).
M. Wiens, X. H. Wang, H. C. Schroder, U. Kolb, U. Schlossmacher, H. Ushijima and W. E. Muller, Biomaterials, 31, 7716 (2010).
P. P. Han, C. T. Wu and Y. Xiao, Biomater. Sci-UK., 1, 379 (2013).
H. C. Schroder, M. Wiens, X. Wang, U. Schlossmacher and W. E. Muller, Prog. Mol. Subcell. Biol., 52, 283 (2011).
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).
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).
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).
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).
M. Wiens, T. A. Elkhooly, H. C. Schroder, T. H. A. Mohamed and W. E. G. Muller, Acta Biomater., 10, 4456 (2014).
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).
A. Rai and C. C. Perry, J. Mater. Chem., 22, 4790 (2012).
A. J. Mieszawska, L. D. Nadkarni, C. C. Perry and D. L. Kaplan, Chem. Mater., 22, 5780 (2010).
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).
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).
J. M. Holzwarth and P. X. Ma, Biomaterials, 32, 9622 (2011).
W. E. G. Muller, E. Tolba, H. C. Schroder, B. Diehl-Seifert, T. Link and X. H. Wang, Biotechnol. J., 9, 1312 (2014).
T. Link, X. H. Wang, U. Schlossmacher, Q. L. Feng, H. C. Schroder and W. E. G. Muller, RSC Adv., 3, 11140 (2013).
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).
W. E. Muller, H. C. Schroder, Q. Feng, U. Schlossmacher, T. Link and X. Wang, J. Tissue Eng. Regen. Med., 9, E39 (2015).
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)
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).
S. Simovic, N. Ghouchi-Eskandar, A. M. Sinn, D. Losic and C. A Prestidge, Curr. Drug Dis. Technol., 8, 269 (2011).
K. I. Sano, T. Minamisawa and K. Shiba, Langmuir, 26, 2231 (2010).
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).
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).
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).
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).
R. H. Jin and J. J. Yuan, Chem. Mater., 18, 3390 (2006).
S. V. Patwardhan and C. C. Perry, Silicon-Neth., 2, 33 (2010).
Y. Wang, J. Cai, Y. G. Jiang, X. G. Jiang and D. Y. Zhang, Appl. Microbiol. Biotechnol., 97, 453 (2013).
R. Gordon, D. Losic, M. A. Tiffany, S. S. Nagy and F. A. S. Sterrenburg, Trends Biotechnol., 27, 116 (2009).
M. S. Aw, S. Simovic, Y. Yu, J. Addai-Mensah and D. Losic, Powder Technol., 223, 52 (2012).
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).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
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
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11814-016-0003-z