生物聚合物，如纖維素、甲殼素、蛋白質(zhì)、DNA等，廣泛存在于地球上的生物體中。它們?cè)谥紊矬w的生命活動(dòng)、推動(dòng)生物進(jìn)化以及促進(jìn)人類文明進(jìn)步等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，生物聚合物在許多技術(shù)領(lǐng)域逐漸被合成聚合物所取代。然而，在全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展日益重視的時(shí)代背景下，生物聚合物憑借其豐富性、環(huán)境友好性、生物相容性、可生物降解性以及其所獨(dú)有的、合成聚合物難以實(shí)現(xiàn)的層級(jí)組裝結(jié)構(gòu)和性能，迎來了“復(fù)興”，重新在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域煥發(fā)出勃勃生機(jī)。

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本期?？汕迦A大學(xué)張瑩瑩教授、復(fù)旦大學(xué)凌盛杰教授、東北林業(yè)大學(xué)陳文帥教授、麻省理工學(xué)院Markus J. Buehler院士和塔夫茨大學(xué)David L. Kaplan院士聯(lián)合擔(dān)任客座編輯，匯集了來自全球包括16位院士在內(nèi)的頂尖科學(xué)家課題組的42篇文章（包括3篇觀點(diǎn)文章、20篇綜述文章和19篇研究文章）。本期?？攸c(diǎn)關(guān)注在國(guó)際上被廣泛研究的生物聚合物，包括纖維素和一些主要的蛋白質(zhì)，其它生物聚合物如甲殼素和DNA，人工智能在生物聚合物研究中的應(yīng)用，以及生物聚合物材料的多樣化應(yīng)用。

1.纖維素

纖維素是地球上最豐富的生物聚合物，廣泛存在于高等植物、一些海洋動(dòng)物、藻類和真菌中。Mahiar Max Hamedi等闡述了纖維素和木材作為可持續(xù)先進(jìn)材料在人類文明演變中的重要作用，以及它們?cè)谖磥斫ㄖ?、水和能源等領(lǐng)域的巨大潛力。張仁云等通過將納米石墨和微晶纖維素整合到紙中，開發(fā)了一種可用于能量收集和智能傳感的工程化紙基納米發(fā)電機(jī)。余桂華等以纖維素為原料，通過烷基化引入熱響應(yīng)基團(tuán)，并整合兩性離子基團(tuán)，合成了用于大氣水收集的分子功能化水凝膠。張楚虹等介紹了一種低共熔溶劑細(xì)胞剪切策略，用于調(diào)整竹子的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)其衍生硬碳中的閉孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速的鈉存儲(chǔ)。楊亞等提出了纖維素模板化納米材料的概念，總結(jié)了纖維素作為客體或模板用于生產(chǎn)并整合各種納米材料或納米結(jié)構(gòu)材料的研究進(jìn)展。俞書宏等總結(jié)了通過納米纖絲化纖維素或細(xì)菌纖維素組裝生產(chǎn)的一系列可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。Mark J. MacLachlan等專注于瞬態(tài)技術(shù)，介紹了由纖維素材料構(gòu)建的瞬態(tài)器件的研究進(jìn)展。宋平安等將納米纖絲化纖維素與聚氨酯復(fù)合，利用空氣和冰雙重模板構(gòu)建了具有彈性、疏水且隔熱的復(fù)合氣凝膠。Lennart Bergstr?m等利用非彈性中子散射技術(shù)結(jié)合廣角X射線散射和小角中子散射技術(shù)，研究了納米纖維素的濕度依賴振動(dòng)動(dòng)力學(xué)與聲子輸運(yùn)理論。Silvia Vignolini等報(bào)道了一種通過在超疏水表面上干燥纖維素納米晶體懸濁液微滴來制造光子顏料的簡(jiǎn)易方法。陳文帥等利用木質(zhì)納米纖絲化纖維素為原料，構(gòu)建了一種具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的碳框架支撐的磷摻雜二氧化鉬納米顆粒，用以優(yōu)化鋰硫電池中的氧化還原動(dòng)力學(xué)。Sang-Young Lee等采用納米纖絲化纖維素作為電極粘結(jié)劑，用于分散鋰多硫化物，以開發(fā)貧電解液鋰硫電池。郭再萍等總結(jié)了細(xì)菌纖維素在各種電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是生命的基石，支撐著細(xì)胞生存和正常運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的無數(shù)基本且重要的功能。David L. Kaplan等對(duì)絲素的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和多功能性提出了見解，討論了絲素由自然進(jìn)化塑造的卓越特性及其在可持續(xù)材料設(shè)計(jì)中的巨大潛力。陳曉東等總結(jié)了絲素用于開發(fā)自主電子器件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，討論了絲素材料的特性及其在功能纖維和智能紡織品、表皮電子設(shè)備以及可適應(yīng)植入物中的應(yīng)用。蔣欣泉等通過結(jié)合絲素和鈣離子，設(shè)計(jì)并制造了自增強(qiáng)離子凝膠生物粘附界面，用于硬組織和生物電子設(shè)備的整合與監(jiān)測(cè)。王琳等通過調(diào)節(jié)絲膠蛋白的結(jié)構(gòu)來提高壓電性能，并構(gòu)建了可植入的、具有生物相容性且可降解的絲膠蛋白基能量收集器。沈怡等介紹了蛋白質(zhì)的液-液相分離和液-固轉(zhuǎn)變機(jī)制，以及如何通過相變控制制造多功能生物材料。Raffaele Mezzenga等將乳清蛋白衍生的蛋白納米纖維與紅蘿卜花青素復(fù)合，制造了一種智能包裝，可通過顏色變化來監(jiān)測(cè)食品變質(zhì)情況。楊鵬等采用機(jī)械引導(dǎo)的轉(zhuǎn)變方法，將相變后的蛋白納米膜轉(zhuǎn)化為具有高礦化活性的、結(jié)晶的、層級(jí)結(jié)構(gòu)的淀粉樣纖維。Pooi See Lee等使用羊毛角蛋白制造離子電子學(xué)器件，用于機(jī)械能收集、自供能傳感和離子邏輯電路。張宇等總結(jié)了使用明膠及其衍生物構(gòu)建的工程化活體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。

3.其他生物聚合物

除了纖維素和蛋白質(zhì)外的一些生物聚合物，也在材料科學(xué)研究中備受關(guān)注。DNA是遺傳信息的天然載體，也可以作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的工具。樊春海等總結(jié)了DNA信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀出技術(shù)的最新研究進(jìn)展。張立群等介紹了由生物分子以及木質(zhì)素、DNA等生物聚合物構(gòu)筑的彈性體，并對(duì)其設(shè)計(jì)、性能和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了綜述。陳學(xué)思等總結(jié)了聚乳酸的立體化學(xué)、材料性能及其應(yīng)用。Eero Kontturi等通過冷凍誘導(dǎo)的納米甲殼素組裝制備了具有層狀結(jié)構(gòu)的多孔材料，可用于光驅(qū)動(dòng)的全細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化。Gustav Nystr?m等通過機(jī)械解纖絲狀真菌，開發(fā)了來自菌絲體的活纖維分散液。

4.引入人工智能的研究

人工智能是新一輪科技革命的重要驅(qū)動(dòng)力，在生物聚合物材料科學(xué)領(lǐng)域也同樣引起了廣泛的關(guān)注。Markus J. Buehler等提出了一種人工智能方法—SciAgents—整合本體知識(shí)圖譜、大型語言模型、數(shù)據(jù)檢索工具以及多智能體系統(tǒng)，以自主探索科學(xué)數(shù)據(jù)、生成假設(shè)，并促進(jìn)含有生物聚合物的高新材料的創(chuàng)造，同時(shí)提升材料的力學(xué)性能和可持續(xù)性。Grace X. Gu等強(qiáng)調(diào)了人工智能和多尺度建模在生物聚合物和仿生材料研究中的應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注長(zhǎng)度和時(shí)間尺度的建模方法，并討論了如何利用人工智能促進(jìn)材料設(shè)計(jì)的優(yōu)化和制造過程的改進(jìn)。秦釗等研究了含有纖維素和二氧化硅的竹子表皮的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。受顆粒分布啟發(fā)構(gòu)建了人工智能模型，可以指導(dǎo)制造高韌性的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。凌盛杰等報(bào)道了一種人工智能賦能的絲素離子觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觸摸感應(yīng)、手寫識(shí)別和先進(jìn)的人機(jī)交互。

5.多樣化應(yīng)用

生物聚合物憑借其豐富多樣性和優(yōu)越的性能，在仿生學(xué)、能源、電子、環(huán)境科學(xué)、工程學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域中都備受關(guān)注。Peter Fratzl等從生物體的角度探討了材料的可持續(xù)性，并闡述了可重塑的材料合成、加工和利用的范式。支春義等總結(jié)了多糖、多核苷酸和多肽在鋰金屬和鋅金屬電池中的開發(fā)和應(yīng)用。Erlantz Lizundia等研究了鋰離子電池中生物聚合物電解質(zhì)的環(huán)境可持續(xù)性。王中林等總結(jié)了生物聚合物和仿生技術(shù)在摩擦納米發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用，以及用于摩擦電能收集的生物聚合物基器件的研究進(jìn)展。王鉆開等介紹了生物聚合物電子皮膚的研究進(jìn)展，討論了材料設(shè)計(jì)、多感官功能和能量收集應(yīng)用。張瑩瑩等總結(jié)了生物聚合物衍生碳材料及其在可穿戴物理傳感器、化學(xué)傳感器、能源系統(tǒng)和顯示器件中的應(yīng)用進(jìn)展。余桂華等介紹了生物聚合物水凝膠、氣凝膠和碳?xì)饽z的合成策略，以及這些材料在能源存儲(chǔ)、水凈化、濕/熱管理和生物電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。賀曦敏等討論了具有定制特性和功能的生物聚合物水凝膠的層級(jí)結(jié)構(gòu)，介紹了其在工程學(xué)、環(huán)境學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。王玉忠等總結(jié)了制造生物聚合物基阻燃劑和阻燃材料的方法，強(qiáng)調(diào)了其在熱絕緣、鋰離子電池和火災(zāi)預(yù)警傳感器中的應(yīng)用。朱美芳等介紹了由生物聚合物構(gòu)筑的纖維聚集材料，并總結(jié)了其設(shè)計(jì)、加工以及在診斷和治療中的應(yīng)用。

客座編輯團(tuán)隊(duì)衷心感謝Advanced Materials期刊的David Huesmann博士、翁博博士、Irem Bayindir-Buchhalter博士和Esther Levy博士給予的巨大幫助和支持。本期?？钊胩接懥藖碜源笞匀话賹毾涞木薮鬂摿?，衷心希望讀者們能夠在閱讀的過程中獲得啟發(fā)與靈感。

客座編輯介紹

張瑩瑩，清華大學(xué)化學(xué)系長(zhǎng)聘教授，博士生導(dǎo)師。2007年于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院獲得博士學(xué)位；之后在美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究工作；2011年加入清華大學(xué)，任獨(dú)立課題組組長(zhǎng)。研究興趣包括低維碳材料、蠶絲蛋白材料及其功能復(fù)合材料，發(fā)展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領(lǐng)域的應(yīng)用。中國(guó)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)材料學(xué)會(huì)纖維改性與復(fù)合分會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)材料學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)理事。榮獲中國(guó)青年科技獎(jiǎng)。

凌盛杰，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系研究員、博士生導(dǎo)師。于2014年在復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系獲得博士學(xué)位，隨后赴美國(guó)麻省理工學(xué)院從事博士后研究。2017年，加入上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，擔(dān)任獨(dú)立課題組組長(zhǎng)，并于2024年回到復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系任職。研究興趣包括：結(jié)合先進(jìn)表征技術(shù)與計(jì)算模擬，探索生物材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系，為仿生材料設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。基于天然高分子開發(fā)新型生物相容材料，并探索其在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。利用人工智能方法輔助優(yōu)化生物材料的結(jié)構(gòu)與性能，推動(dòng)高性能仿生材料的理性開發(fā)。

陳文帥，東北林業(yè)大學(xué)木材科學(xué)與工程專業(yè)教授、博士生導(dǎo)師。黑龍江省青聯(lián)常委、中國(guó)青年科技工作者協(xié)會(huì)理事、黑龍江省“新青年獎(jiǎng)”十佳人物、黑龍江省青年五四獎(jiǎng)?wù)?、黑龍江省?yōu)秀教師。主要從事木材物理學(xué)研究，在林木纖絲解聚、重組與高效利用方面做出一系列創(chuàng)新性研究工作。獲2023 Energies Award、梁希林業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)林業(yè)青年科技獎(jiǎng)、黑龍江省青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)化學(xué)會(huì)纖維素專業(yè)委員會(huì)青年學(xué)者獎(jiǎng)、黑龍江省高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)、霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金等獎(jiǎng)勵(lì)。

Markus J. Buehler，美國(guó)麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系教授。美國(guó)工程院院士。研究工作專注于多尺度建模、人工智能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)以及先進(jìn)生物材料的制造，致力于將分子結(jié)構(gòu)與功能特性聯(lián)系起來。在人工智能輔助的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、圖推理以及從頭蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)方面開創(chuàng)了先河，揭示了像絲素和膠原蛋白這樣的結(jié)構(gòu)蛋白的基本原理。

David L. Kaplan，美國(guó)塔夫茨大學(xué)講席教授。美國(guó)工程院院士，美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院院士。研究工作聚焦于生物聚合物工程、組織工程和細(xì)胞農(nóng)業(yè)。領(lǐng)導(dǎo)的研究組主要關(guān)注材料科學(xué)與工程相關(guān)的絲素、膠原蛋白、彈性蛋白和角蛋白等蛋白質(zhì)系統(tǒng)的生物材料研究，利用遺傳工具來修改序列-結(jié)構(gòu)關(guān)系，并研究與組織工程相關(guān)的細(xì)胞相互作用。

原文詳情：

Exploring Nature's Toolbox: The Role of Biopolymers in Sustainable Materials Science

Yingying Zhang*, Shengjie Ling*, Wenshuai Chen*, Markus J. Buehler*, David L. Kaplan*

Advanced Materials

DOI:10.1002/adma.202507822

《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）是一本超過30年歷史，由Wiley出版發(fā)行的材料科學(xué)類知名權(quán)威期刊。期刊聚焦功能材料在化學(xué)、物理、生物等各項(xiàng)領(lǐng)域及相關(guān)交叉學(xué)科的前沿進(jìn)展，影響力廣泛。

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