Structured adhesives: inspiration, modeling, engineering and applications
Source abstract
Abstract
Nature has evolved a remarkable diversity of structured adhesives that enable organisms to achieve robust, reversible, and adaptive attachment in natural environments. Unlike conventional chemical glues, these biological adhesives exhibit strong yet controllable adhesion with residue-free detachment, self-cleaning capabilities, and environmental adaptability, which are primarily enabled by their evolutionarily optimized hierarchical architectures. Deciphering the structural and mechanical principles underlying these systems is therefore essential for the rational design of next-generation bioinspired reversible adhesives. This review examines how biological adhesion principles can be translated into engineered structured adhesives by linking biological archetypes, interfacial mechanics, structural design, and functional integration within a unified framework. We discuss the physical mechanisms governing biological adhesion and the theoretical models that have shaped the current understanding of structured adhesive contacts. We then survey fabrication technologies and design strategies to gain enhanced adhesion, detachment regulation, and improved structural adaptability. Furthermore, we highlight emerging design paradigms, including interfacial stress regulation, internally heterogeneous architectures, programmable reversibility, and adhesion-sensing integration, that are shifting structured adhesives from static attachment structures toward adaptive, multifunctional, and intelligent interfaces. Finally, we outline the persistent challenges in structural design, scalable manufacturing, environmental adaptability, and system integration, while offering perspectives on future opportunities for advanced bioinspired adhesives in robotics, wearable systems, and biomedical applications.
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Research context
OpenAlex topics: Adhesion, Friction, and Surface Interactions · Polymer Surface Interaction Studies · Silk-based biomaterials and applications
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, South Donghu Road 8, 430072, Wuhan, China
Nanotechnology Center, School of Fashion and Textiles, The Hong Kong Polytechnic University, Hung Hom 999077, Hong Kong, China
Wuhan University Shenzhen Research Institute, 518057, Shenzhen, China
Funding
National Natural Science Foundation of China · Science and Technology Foundation of Shenzhen City
References (100+)
Show source-provided references
1. Kang · Nature · 2025 · 643 · 127110.1038/s41586-025-09304-4 ↗
2. Feng · Science · 2021 · 373 · 134410.1126/science.abg7552 ↗
3. Chen · Nature · 2026 · 651 · 37110.1038/s41586-026-10164-9 ↗
4. Zhang · Nat. Nanotechnol. · 2024 · 19 · 21910.1038/s41565-023-01524-x ↗
5. Gao · Nature · 2004 · 432 · 3610.1038/432036a ↗
6. Chen · Nature · 2016 · 532 · 8510.1038/nature17189 ↗
7. Zhang · Sci. Adv. · 2025 · 11 · eadt952610.1126/sciadv.adt9526 ↗
8. Yang · Science · 2024 · 384 · 134410.1126/science.adk4180 ↗
9. Autumn · Nature · 2000 · 405 · 68110.1038/35015073 ↗
10. Lee · Nature · 2007 · 448 · 33810.1038/nature05968 ↗
11. Scholz · J. Exp. Biol. · 2009 · 212 · 15510.1242/jeb.019232 ↗
12. Hanna · J. Exp. Biol. · 1991 · 155 · 10310.1242/jeb.155.1.103 ↗
13. Baik · Nature · 2017 · 546 · 39610.1038/nature22382 ↗
14. Bottomley · Nature · 1891 · 43 · 43710.1038/043437b0 ↗
15. Yuk · Nature · 2019 · 575 · 16910.1038/s41586-019-1710-5 ↗
16. Deng · Nat. Mater. · 2021 · 20 · 22910.1038/s41563-020-00814-2 ↗
17. Linghu · Sci. Adv. · 2025 · 11 · eadt395710.1126/sciadv.adt3957 ↗
18. Li · J. Mech. Phys. Solids · 2026 · 212 · 10657410.1016/j.jmps.2026.106574 ↗
19. Liu · Sci. Adv. · 2026 · 12 · eaea801410.1126/sciadv.aea8014 ↗
20. Song · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2017 · 114 · E4344
21. Arzt · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2003 · 100 · 1060310.1073/pnas.1534701100 ↗
22. Gao · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2004 · 101 · 785110.1073/pnas.0400757101 ↗
23. Hansen · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2005 · 102 · 38510.1073/pnas.0408304102 ↗
24. Autumn · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2002 · 99 · 1225210.1073/pnas.192252799 ↗
25. Tian · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2006 · 103 · 1932010.1073/pnas.0608841103 ↗
26. Xu · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 894910.1038/ncomms9949 ↗
27. Crawford · Beilstein J. Nanotechnol. · 2016 · 7 · 211610.3762/bjnano.7.201 ↗
28. Endlein · J. R. Soc. Interface · 2013 · 10 · 2012083810.1098/rsif.2012.0838 ↗
29. Langowski · Integr. Comp. Biol · 2020 · 60 · 90610.1093/icb/icaa037 ↗
30. Kier · Biol. Bull. · 1990 · 178 · 12610.2307/1541971 ↗
31. Kier · Integr. Comp. Biol. · 2002 · 42 · 114610.1093/icb/42.6.1146 ↗
32. Tramacere · PLoS One · 2013 · 8 · e6507410.1371/journal.pone.0065074 ↗
33. Tramacere · Interface Focus · 2015 · 5 · 2014005010.1098/rsfs.2014.0050 ↗
34. Hertz · J. Reine Angew. Math. · 1882 · 92 · 15610.1515/crll.1882.92.156 ↗
35. Johnson · Proc. R. Soc. Lond. A · 1971 · 324 · 30110.1098/rspa.1971.0141 ↗
36. Derjaguin · J. Colloid Interface Sci. · 1975 · 53 · 31410.1016/0021-9797(75)90018-1 ↗
37. Kendall · J. Phys. D: Appl. Phys. · 1975 · 8 · 144910.1088/0022-3727/8/13/005 ↗
38. Bartlett · Prog. Mater. Sci. · 2023 · 137 · 10108610.1016/j.pmatsci.2023.101086 ↗
39. Peisker · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 166110.1038/ncomms2576 ↗
40. Puthoff · J. Exp. Biol. · 2010 · 213 · 369910.1242/jeb.047654 ↗
41. Meng · Adv. Mater. Interfaces · 2021 · 8 · 210052810.1002/admi.202100528 ↗
42. Xue · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 662110.1038/ncomms7621 ↗
43. Tan · ACS Nano · 2025 · 19 · 857110.1021/acsnano.4c14048 ↗
44. Fortes · J. Colloid Interface Sci. · 1982 · 88 · 33810.1016/0021-9797(82)90263-6 ↗
45. De Souza · Langmuir · 2008 · 24 · 881310.1021/la8005376 ↗
46. Guo · Sci. Adv. · 2023 · 9 · eadi484310.1126/sciadv.adi4843 ↗
47. P. S.de Laplace , Traité De Mécanique Céleste: Supplément au dixième livre du traité de méchanique céleste sur l'action capillaire , Duprat , 1808
48. Butt · Langmuir · 2008 · 24 · 471510.1021/la703640f ↗
49. Stefan · Ann. Phys. · 1875 · 230 · 31610.1002/andp.18752300213 ↗
50. Labonte · Philos. Trans. R. Soc., B · 2015 · 370 · 2014002710.1098/rstb.2014.0027 ↗
51. Peisker · J. Exp. Biol. · 2012 · 215 · 126610.1242/jeb.065722 ↗
52. Maie · J. Exp. Biol. · 2012 · 215 · 392510.1242/jeb.072967 ↗
53. Wang · Vacuum · 2012 · 86 · 178310.1016/j.vacuum.2012.04.008 ↗
54. del Campo · Langmuir · 2007 · 23 · 1023510.1021/la7010502 ↗
55. Yi · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2016 · 8 · 2267110.1021/acsami.6b07337 ↗
56. Xue · Langmuir · 2014 · 30 · 1117510.1021/la502695d ↗
57. Jeong · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2009 · 106 · 563910.1073/pnas.0900323106 ↗
58. Wang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 221310.1021/am4052393 ↗
59. Luan · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2022 · 14 · 5343310.1021/acsami.2c17128 ↗
60. Zhu · Chem. Eng. J. · 2023 · 454 · 14022710.1016/j.cej.2022.140227 ↗
61. Kim · Microsyst. Nanoeng. · 2025 · 11 · 6810.1038/s41378-025-00920-8 ↗
62. He · Adv. Mater. Interfaces · 2023 · 10 · 220246510.1002/admi.202202465 ↗
63. Afshar-Mohajer · Addit. Manuf. · 2023 · 62 · 103368
64. Busche · Micro Nano Eng. · 2020 · 7 · 10005210.1016/j.mne.2020.100052 ↗
65. Marvi · Langmuir · 2015 · 31 · 1011910.1021/acs.langmuir.5b02415 ↗
66. Wang · Adv. Funct. Mater. · 2021 · 31 · 210178710.1002/adfm.202101787 ↗
67. Hu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 1416710.1021/am503493u ↗
68. Wang · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2025 · 122 · e242303912210.1073/pnas.2423039122 ↗
69. Tian · Nat. Commun. · 2022 · 13 · 765910.1038/s41467-022-35436-6 ↗
70. Autumn · J. Exp. Biol. · 2006 · 209 · 355810.1242/jeb.02469 ↗
71. Wang · Biomimetics · 2017 · 2 · 1010.3390/biomimetics2030010 ↗
72. Croll · Adv. Mater. Technol. · 2019 · 4 · 190019310.1002/admt.201900193 ↗
73. Griffith · Phil. Trans. R. Soc. A · 1921 · 221 · 163
74. Maugis · J. Phys. D: Appl. · 1978 · 11 · 198910.1088/0022-3727/11/14/011 ↗
75. Bartlett · Adv. Mater. · 2012 · 24 · 107810.1002/adma.201104191 ↗
76. Fischer · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2017 · 9 · 103610.1021/acsami.6b11642 ↗
77. Hossfeld · Langmuir · 2013 · 29 · 1539410.1021/la402838y ↗
78. Hu · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2017 · 9 · 775210.1021/acsami.6b14951 ↗
79. Carbone · Soft Matter · 2011 · 7 · 554510.1039/c0sm01482f ↗
80. Heepe · Soft Matter · 2018 · 14 · 702610.1039/C8SM01151F ↗
81. Murphy · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2009 · 1 · 84910.1021/am8002439 ↗
82. Gillies · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2013 · 5 · 608110.1021/am400839n ↗
83. Liao · Nature · 2025 · 644 · 8910.1038/s41586-025-09269-4 ↗
84. Samri · Mater. Today · 2022 · 53 · 4110.1016/j.mattod.2022.01.018 ↗
85. Ekanayake · Mater. Today Commun. · 2023 · 36 · 10654510.1016/j.mtcomm.2023.106545 ↗
86. Li · Adv. Sci. · 2024 · 11 · 240097210.1002/advs.202400972 ↗
87. Shojaeifard · J. R. Soc., Interface · 2025 · 22 · 2024063610.1098/rsif.2024.0636 ↗
88. Cheng · J. Mech. Phys. Solids · 2024 · 186 · 10559210.1016/j.jmps.2024.105592 ↗
89. Cheng · J. Appl. Mech. · 2025 · 93 · 02100910.1115/1.4070646 ↗
90. Agostinelli · J. Appl. Mech. · 2026 · 93 · 03100410.1115/1.4070708 ↗
91. Bettscheider · J. Mech. Phys. Solids · 2021 · 150 · 10436510.1016/j.jmps.2021.104365 ↗
92. Balijepalli · Int. J. Solids Struct. · 2016 · 85–86 · 16010.1016/j.ijsolstr.2016.02.018 ↗
93. Minsky · Appl. Phys. Lett. · 2015 · 106 · 20160410.1063/1.4921423 ↗
94. Tatari · Adv. Mater. Interfaces · 2018 · 5 · 180032110.1002/admi.201800321 ↗
95. Xue · ACS Nano · 2017 · 11 · 971110.1021/acsnano.7b04994 ↗
96. Tan · ACS Appl. Nano Mater. · 2020 · 3 · 359610.1021/acsanm.0c00314 ↗
97. Wang · Engineering · 2025 · 55 · 8610.1016/j.eng.2024.12.035 ↗
98. Zhu · Small · 2024 · 20 · 231088710.1002/smll.202310887 ↗
99. Liu · Small · 2021 · 17 · 200549310.1002/smll.202005493 ↗
100. Wang · ACS Nano · 2018 · 12 · 127310.1021/acsnano.7b07493 ↗