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Functional adaptation of crustacean exoskeletal elements through structural and compositional diversity: a combined experimental and theoretical study

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作者
Helge‐Otto Fabritius,Andreas Ziegler,Martin Friák,S. Nikolov,Julia Huber,Bastian Hans Michael Seidl,Sukhum Ruangchai,Francisca I. Alagboso,Simone Karsten,Jin Lu,Anna Janus,Michal Petrov,Li Zhu,Pavlína Hemzalová,Sabine Hild,Dierk Raabe,Jörg Neugebauer
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
卷期号:11 (5): 055006-055006 被引量:46
标识
DOI:10.1088/1748-3190/11/5/055006
摘要

The crustacean cuticle is a composite material that covers the whole animal and forms the continuous exoskeleton. Nano-fibers composed of chitin and protein molecules form most of the organic matrix of the cuticle that, at the macroscale, is organized in up to eight hierarchical levels. At least two of them, the exo- and endocuticle, contain a mineral phase of mainly Mg-calcite, amorphous calcium carbonate and phosphate. The high number of hierarchical levels and the compositional diversity provide a high degree of freedom for varying the physical, in particular mechanical, properties of the material. This makes the cuticle a versatile material ideally suited to form a variety of skeletal elements that are adapted to different functions and the eco-physiological strains of individual species. This review presents our recent analytical, experimental and theoretical studies on the cuticle, summarising at which hierarchical levels structure and composition are modified to achieve the required physical properties. We describe our multi-scale hierarchical modeling approach based on the results from these studies, aiming at systematically predicting the structure-composition-property relations of cuticle composites from the molecular level to the macro-scale. This modeling approach provides a tool to facilitate the development of optimized biomimetic materials within a knowledge-based design approach.

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