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Functional gradients and heterogeneities in biological materials: Design principles, functions, and bioinspired applications

生化工程 多样性(控制论) 仿生学 生物材料 设计要素和原则 合成生物学 纳米技术 仿生材料 生物有机体 材料设计 选择(遗传算法) 材料科学 计算机科学 生物 计算生物学 人工智能 工程类 复合材料 软件工程
作者
Zengqian Liu,Marc A. Meyers,Zhefeng Zhang,Robert O. Ritchie
出处
期刊:Progress in Materials Science [Elsevier BV]
卷期号:88: 467-498 被引量:843
标识
DOI:10.1016/j.pmatsci.2017.04.013
摘要

Living organisms have ingeniously evolved functional gradients and heterogeneities to create high-performance biological materials from a fairly limited choice of elements and compounds during long-term evolution and selection. The translation of such design motifs into synthetic materials offers a spectrum of feasible pathways towards unprecedented properties and functionalities that are favorable for practical uses in a variety of engineering and medical fields. Here, we review the basic design forms and principles of naturally-occurring gradients in biological materials and discuss the functions and benefits that they confer to organisms. These gradients are fundamentally associated with the variations in local chemical compositions/constituents and structural characteristics involved in the arrangement, distribution, dimensions and orientations of the building units. The associated interfaces in biological materials invariably demonstrate localized gradients and a variety of gradients are generally integrated over multiple length-scales within the same material. The bioinspired design and applications of synthetic functionally graded materials that mimic their natural paradigms are revisited and the emerging processing techniques needed to replicate the biological gradients are described. It is expected that in the future bioinspired gradients and heterogeneities will play an increasingly important role in the development of high-performance materials for more challenging applications.
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