解鎖大自然的百寶箱—Advanced Materials出版生物聚合物專刊

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生物聚合物，如纖維素、甲殼素、蛋白質、DNA等，廣泛存在于地球上的生物體中。它們在支撐生物體的生命活動、推動生物進化以及促進人類文明進步等方面發揮了至關重要的作用。隨著現代工業的發展，生物聚合物在許多技術領域逐漸被合成聚合物所取代。然而，在全球對可持續發展日益重視的時代背景下，生物聚合物憑借其豐富性、環境友好性、生物相容性、可生物降解性以及其所獨有的、合成聚合物難以實現的層級組裝結構和性能，迎來了“復興”，重新在材料科學與工程領域煥發出勃勃生機。

圖1?專刊的封面

本期專刊由清華大學張瑩瑩教授、復旦大學凌盛杰教授、東北林業大學陳文帥教授、麻省理工學院Markus?J. Buehler院士和塔夫茨大學David?L. Kaplan院士聯合擔任客座編輯，匯集了來自全球包括16位院士在內的頂尖科學家課題組的42篇文章（包括3篇觀點文章、20篇綜述文章和19篇研究文章）。本期專刊重點關注在國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，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用，以及生物聚合物材料的多樣化應用。

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先進材料在人類文明演變中的重要作用，以及它們在未來建筑、水和能源等領域的巨大潛力。張仁云等通過將納米石墨和微晶纖維素整合到紙中，開發了一種可用于能量收集和智能傳感的工程化紙基納米發電機。余桂華等以纖維素為原料，通過烷基化引入熱響應基團，并整合兩性離子基團，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胞剪切策略，用于調整竹子的細胞結構，從而調節其衍生硬碳中的閉孔結構，實現快速的鈉存儲。楊亞等提出了纖維素模板化納米材料的概念，總結了纖維素作為客體或模板用于生產并整合各種納米材料或納米結構材料的研究進展。俞書宏等總結了通過納米纖絲化纖維素或細菌纖維素組裝生產的一系列可持續結構材料。Mark?J. MacLachlan等專注于瞬態技術，介紹了由纖維素材料構建的瞬態器件的研究進展。宋平安等將納米纖絲化纖維素與聚氨酯復合，利用空氣和冰雙重模板構建了具有彈性、疏水且隔熱的復合氣凝膠。Lennart?Bergstr?m等利用非彈性中子散射技術結合廣角X射線散射和小角中子散射技術，研究了納米纖維素的濕度依賴振動動力學與聲子輸運理論。Silvia?Vignolini等報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易方法。陳文帥等利用木質納米纖絲化纖維素為原料，構建了一種具有層級結構的碳框架支撐的磷摻雜二氧化鉬納米顆粒，用以優化鋰硫電池中的氧化還原動力學。Sang-Young?Lee等采用納米纖絲化纖維素作為電極粘結劑，用于分散鋰多硫化物，以開發貧電解液鋰硫電池。郭再萍等總結了細菌纖維素在各種電化學能量儲存系統中的應用。

2.蛋白質

蛋白質是生命的基石，支撐著細胞生存和正常運轉所必需的無數基本且重要的功能。David?L. Kaplan等對絲素的獨特結構和多功能性提出了見解，討論了絲素由自然進化塑造的卓越特性及其在可持續材料設計中的巨大潛力。陳曉東等總結了絲素用于開發自主電子器件的獨特優勢，討論了絲素材料的特性及其在功能纖維和智能紡織品、表皮電子設備以及可適應植入物中的應用。蔣欣泉等通過結合絲素和鈣離子，設計并制造了自增強離子凝膠生物粘附界面，用于硬組織和生物電子設備的整合與監測。王琳等通過調節絲膠蛋白的結構來提高壓電性能，并構建了可植入的、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的液-液相分離和液-固轉變機制，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合，制造了一種智能包裝，可通過顏色變化來監測食品變質情況。楊鵬等采用機械引導的轉變方法，將相變后的蛋白納米膜轉化為具有高礦化活性的、結晶的、層級結構的淀粉樣纖維。Pooi?See?Lee等使用羊毛角蛋白制造離子電子學器件，用于機械能收集、自供能傳感和離子邏輯電路。張宇等總結了使用明膠及其衍生物構建的工程化活體系統的設計、制造和應用。

3.其他生物聚合物

除了纖維素和蛋白質外的一些生物聚合物，也在材料科學研究中備受關注。DNA是遺傳信息的天然載體，也可以作為數字數據存儲的工具。樊春海等總結了DNA信息存儲數據讀出技術的最新研究進展。張立群等介紹了由生物分子以及木質素、DNA等生物聚合物構筑的彈性體，并對其設計、性能和生物醫學應用進行了綜述。陳學思等總結了聚乳酸的立體化學、材料性能及其應用。Eero?Kontturi等通過冷凍誘導的納米甲殼素組裝制備了具有層狀結構的多孔材料，可用于光驅動的全細胞生物轉化。Gustav?Nystr?m等通過機械解纖絲狀真菌，開發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動力，在生物聚合物材料科學領域也同樣引起了廣泛的關注。Markus?J. Buehler等提出了一種人工智能方法—SciAgents—整合本體知識圖譜、大型語言模型、數據檢索工具以及多智能體系統，以自主探索科學數據、生成假設，并促進含有生物聚合物的高新材料的創造，同時提升材料的力學性能和可持續性。Grace?X. Gu等強調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用，重點關注長度和時間尺度的建模方法，并討論了如何利用人工智能促進材料設計的優化和制造過程的改進。秦釗等研究了含有纖維素和二氧化硅的竹子表皮的結構和力學性能。受顆粒分布啟發構建了人工智能模型，可以指導制造高韌性的顆粒增強復合材料。凌盛杰等報道了一種人工智能賦能的絲素離子觸摸屏，可實現實時觸摸感應、手寫識別和先進的人機交互。

5.多樣化應用

生物聚合物憑借其豐富多樣性和優越的性能，在仿生學、能源、電子、環境科學、工程學以及生物醫學等諸多學科領域中都備受關注。Peter?Fratzl等從生物體的角度探討了材料的可持續性，并闡述了可重塑的材料合成、加工和利用的范式。支春義等總結了多糖、多核苷酸和多肽在鋰金屬和鋅金屬電池中的開發和應用。Erlantz?Lizundia等研究了鋰離子電池中生物聚合物電解質的環境可持續性。王中林等總結了生物聚合物和仿生技術在摩擦納米發電機中的應用，以及用于摩擦電能收集的生物聚合物基器件的研究進展。王鉆開等介紹了生物聚合物電子皮膚的研究進展，討論了材料設計、多感官功能和能量收集應用。張瑩瑩等總結了生物聚合物衍生碳材料及其在可穿戴物理傳感器、化學傳感器、能源系統和顯示器件中的應用進展。余桂華等介紹了生物聚合物水凝膠、氣凝膠和碳氣凝膠的合成策略，以及這些材料在能源存儲、水凈化、濕/熱管理和生物電子學領域的應用。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結構，介紹了其在工程學、環境學和生物醫學領域的應用。王玉忠等總結了制造生物聚合物基阻燃劑和阻燃材料的方法，強調了其在熱絕緣、鋰離子電池和火災預警傳感器中的應用。朱美芳等介紹了由生物聚合物構筑的纖維聚集材料，并總結了其設計、加工以及在診斷和治療中的應用。

客座編輯團隊衷心感謝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。本期專刊深入探討了來自大自然百寶箱的巨大潛力，衷心希望讀者們能夠在閱讀的過程中獲得啟發與靈感。

客座編輯介紹

張瑩瑩，清華大學化學系長聘教授，博士生導師。2007年于北京大學化學與分子工程學院獲得博士學位；之后在美國Los?Alamos國家實驗室從事博士后研究工作；2011年加入清華大學，任獨立課題組組長。研究興趣包括低維碳材料、蠶絲蛋白材料及其功能復合材料，發展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領域的應用。中國化學會高級會員、中國材料學會纖維改性與復合分會常務理事、中國材料學會納米材料與器件分會理事。榮獲中國青年科技獎。

凌盛杰，復旦大學高分子科學系研究員、博士生導師。于2014年在復旦大學高分子科學系獲得博士學位，隨后赴美國麻省理工學院從事博士后研究。2017年，加入上海科技大學物質科學與技術學院，擔任獨立課題組組長，并于2024年回到復旦大學高分子科學系任職。研究興趣包括：結合先進表征技術與計算模擬，探索生物材料的微觀結構與力學性能關系，為仿生材料設計提供理論依據。基于天然高分子開發新型生物相容材料，并探索其在柔性電子、生物醫學等領域的應用。利用人工智能方法輔助優化生物材料的結構與性能，推動高性能仿生材料的理性開發。

陳文帥，東北林業大學木材科學與工程專業教授、博士生導師。黑龍江省青聯常委、中國青年科技工作者協會理事、黑龍江省“新青年獎”十佳人物、黑龍江省青年五四獎章、黑龍江省優秀教師。主要從事木材物理學研究，在林木纖絲解聚、重組與高效利用方面做出一系列創新性研究工作。獲2023?Energies?Award、梁希林業科學技術獎自然科學二等獎、中國林業青年科技獎、黑龍江省青年科技獎、中國化學會纖維素專業委員會青年學者獎、黑龍江省高校教師教學創新大賽二等獎、霍英東教育基金會高等院校青年教師基金等獎勵。

Markus?J. Buehler，美國麻省理工學院土木與環境工程系教授。美國工程院院士。研究工作專注于多尺度建模、人工智能驅動的設計以及先進生物材料的制造，致力于將分子結構與功能特性聯系起來。在人工智能輔助的科學發現、圖推理以及從頭蛋白質設計方面開創了先河，揭示了像絲素和膠原蛋白這樣的結構蛋白的基本原理。

David?L. Kaplan，美國塔夫茨大學講席教授。美國工程院院士，美國國家發明家科學院院士。研究工作聚焦于生物聚合物工程、組織工程和細胞農業。領導的研究組主要關注材料科學與工程相關的絲素、膠原蛋白、彈性蛋白和角蛋白等蛋白質系統的生物材料研究，利用遺傳工具來修改序列-結構關系，并研究與組織工程相關的細胞相互作用。

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

《先進材料》（Advanced?Materials）是一本超過30年歷史，由Wiley出版發行的材料科學類知名權威期刊。期刊聚焦功能材料在化學、物理、生物等各項領域及相關交叉學科的前沿進展，影響力廣泛。

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https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/toc/15214095/2025/37/22

本文由東北林業大學材料學院學生楊力賢供稿