人類文明的長河，伴隨著材料演進(jìn)的壯麗史詩。鐵器的出現(xiàn)，極大地增強(qiáng)了人類改造自然的能力。而硅的發(fā)現(xiàn)，照亮了信息革命的道路，引領(lǐng)我們步入了數(shù)字時(shí)代。每一次材料的革新都深刻地改變了人類社會(huì)的面貌。隨著合成生物學(xué)的蓬勃發(fā)展，人類對生命的改造和控制的邊界也在不斷拓寬。

材料合成生物學(xué)（亦稱工程活體材料、活體功能材料，或簡稱為活材料） 作為一門新興的交叉學(xué)科，將生物學(xué)的原理與工程學(xué)的手段相結(jié)合 ，它將生命體系的獨(dú)特屬性賦予材料，使創(chuàng)造的材料擁有了自再生、自修復(fù)、自適應(yīng)及環(huán)境響應(yīng)等卓越性能，使創(chuàng)造的材料擁有了自再生、自修復(fù)、自適應(yīng)及環(huán)境響應(yīng)等卓越性能 ，推動(dòng)了材料科學(xué)的跨越式進(jìn)步。它不僅改變了我們獲取和使用材料的方式，更在潛移默化中改寫著人類的生活方式。材料合成生物學(xué)正是這一變革浪潮中的璀璨明珠，它站在材料與生物的交叉領(lǐng)域，將兩者的優(yōu)勢巧妙融合，為人類社會(huì)帶來了前所未有的創(chuàng)新機(jī)遇。

在不久的將來，我們的日常生活將發(fā)生翻天覆地的變化：皮包不再是傳統(tǒng)皮革的制品，而是由蘑菇菌絲巧妙編織而成；餐桌上的培根，也不再來源于豬肉，而是蘑菇經(jīng)過精心培育的杰作；牛肉，無需宰殺牲畜，可以直接在實(shí)驗(yàn)室里“培養(yǎng)”出來；疫苗，不再依賴于復(fù)雜的生產(chǎn)線，而是有可能直接從地里“長出來”；衣服，在完成使命后，可以直接自然降解，回歸土地；汽油，不再是石油的衍生品，而是微生物直接生產(chǎn)的清潔能源……這些曾經(jīng)只存在于科幻小說中的場景，如今正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

追溯歷史，該領(lǐng)域誕生于 2014 年，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員分別提出了活材料的概念。同年，美國國防部高級研究計(jì)劃局（ DARPA ）提供了高達(dá) 5000 萬美元的資金支持，用于該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)。進(jìn)入 21 世紀(jì) 20 年代，隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的高度重視，該領(lǐng)域迎來了爆發(fā)式增長，各國紛紛加大投入，競相布局。 2021 年，美國工程生物學(xué)研究聯(lián)盟（ EBRC ）發(fā)布了《工程生物學(xué)與材料科學(xué)：跨學(xué)科創(chuàng)新研究路線圖》（

Engineering Biology and Materials Science: A

Roadmap for Interdisciplinary Innovation

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材料合成生物學(xué)

鐘超主編

北京 : 科學(xué)出版社 ; 濟(jì)南 : 山東科學(xué)技術(shù)出版社 , 2025 . 3

( 合成生物學(xué)叢書 )

ISBN 978 - 7 - 03 - 081287 - 2

鑒于材料合成生物學(xué)的迅猛發(fā)展態(tài)勢，我們有幸邀請國內(nèi)從事可持續(xù)生物材料研究的青年才俊，共同撰寫《材料合成生物學(xué)》，以期為有志于該領(lǐng)域的同仁提供參考與借鑒。

作為國內(nèi)率先以“材料合成生物學(xué)”命名的權(quán)威著作，該書全面而深入地探討了蛋白質(zhì)、多糖、DNA 等天然高分子材料，以及可降解高分子材料和功能化“活材料”等領(lǐng)域的最新進(jìn)展與發(fā)展趨勢，并對材料合成生物學(xué)的未來發(fā)展之路進(jìn)行了深刻洞察與展望。該書不僅為科研人員提供了豐富的理論框架與實(shí)踐指導(dǎo)，助力其探索材料合成生物學(xué)這一新興領(lǐng)域；同時(shí)，也可以作為高等院校的前沿教材，旨在幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的知識體系，激發(fā)創(chuàng)新思維，為培養(yǎng)未來生物材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作為合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究者，我深感材料合成生物學(xué)的重要性。它不僅為我們提供了一種全新的材料設(shè)計(jì)和制造方法，更為解決當(dāng)前全球面臨的資源與環(huán)境問題提供了新的思路。通過合成生物技術(shù)，我們可以設(shè)計(jì)和制造出具有自修復(fù)、自適應(yīng)和智能響應(yīng)等特性的新型材料，這些材料將在醫(yī)療、能源、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。該書的出版，正是對這一領(lǐng)域研究成果的總結(jié)和展望，相信它將為材料科學(xué)、合成生物學(xué)及相應(yīng)交叉學(xué)科的研究者提供寶貴的參考，推動(dòng)這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。我們期待材料合成生物學(xué)在未來能夠取得更多突破，為人類的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

元英進(jìn)

中國科學(xué)院院士

2025 年3 月

本書旨在全面介紹材料合成生物學(xué)這一蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域，涵蓋其研究現(xiàn)狀、最新進(jìn)展及未來發(fā)展方向。全書內(nèi)容精心組織，共分為 20 章。 第 1 章概述 材料合成生物學(xué)。第 2 ～ 13 章聚焦于生物源的自組織材料，深入探討其分子設(shè)計(jì)、自組裝機(jī)制及功能特性，為讀者呈現(xiàn)這一領(lǐng)域的豐富內(nèi)涵和廣闊前景。第 14 ～ 19 章則轉(zhuǎn)向活體功能材料，詳細(xì)闡述其在環(huán)境治理、生物醫(yī)用、材料表面涂層及黏合劑等多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，展示活體材料的獨(dú)特魅力和無限可能。最后，第 20 章總結(jié)歸納材料合成生物學(xué)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向，提供前瞻性的思考和探索路徑。

• 第 1 章由鐘超及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 2 章由陶飛及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 3 章由陳國強(qiáng)、譚丹編寫；

• 第 4 章由范代娣及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 5 章由柏文琴及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 6 章由張雷及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 7 章由孫飛及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 8 章由曹毅及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 9 章由康振及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 10 章由鐘成及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 11 章由仰 大勇及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 12 章由高翔、王博及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 13 章由王殿冰及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 14 章由安柏霖、王艷怡及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 15 章由陳飛、于寅、霍敏鋒編寫；

• 第 16 章由劉盡堯及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 17 章由李柯編寫；

• 第 18 章由王新宇及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 19 章由余子夷及其團(tuán)隊(duì)成員編寫；

• 第 20 章由鐘超及其團(tuán)隊(duì)成員編寫。

在此，我們衷心感謝編寫團(tuán)隊(duì)的辛勤付出與無私奉獻(xiàn)，感謝所有對本書出版給予支持與幫助的人們。我們誠摯地邀請廣大讀者與同行批評指正，共同推動(dòng)該領(lǐng)域的繁榮發(fā)展。希望本書能為廣大讀者提供有益的啟示與借鑒，共同開創(chuàng)可持續(xù)發(fā)展的美好未來。

我相信該書的出版，能夠?yàn)閺氖虏牧峡茖W(xué)、合成生物學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的研究人員、工程師和學(xué)生提供有價(jià)值的參考，也期待更多不同學(xué)科的學(xué)者和專業(yè)人士投身于這一充滿前景領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中。未來的材料科學(xué)，必將與生命科學(xué)更加緊密地結(jié)合，而材料合成生物學(xué)將成為這一融合的核心驅(qū)動(dòng)力。讓我們共同期待材料合成生物學(xué)的不斷突破，推動(dòng)新材料的誕生，為我們的可持續(xù)未來注入新的動(dòng)力。

施劍林

中國科學(xué)院院士

2025 年3 月

本文摘編自《 材料合成生物學(xué) 》（ 鐘超主編 . 北京 : 科學(xué)出版社 ; 濟(jì)南 : 山東科學(xué)技術(shù)出版社 , 2025 . 3 ）一書“前言”“ 序一 ”“序二”“ 第 1 章 材料合成生物學(xué)概述 ”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

( 合成生物學(xué)叢書 )

ISBN 978 - 7 - 03 - 081287 - 2

責(zé)任編輯：王 靜 羅 靜 劉 晶 陳 昕 張 琳

本書對材料合成生物學(xué)這一蓬勃發(fā)展的新興交叉領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理和介紹。首先對可作為構(gòu)筑單元的生物源材料進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，隨后對“活”材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用展開了詳盡論述。具體而言，第 1 章闡述了材料合成生物學(xué)的核心理念與基礎(chǔ)概念，為后續(xù)章節(jié)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。緊接著，第 2 和 3 章聚焦于聚乳酸與聚羥基脂肪酸酯這兩大生物可降解材料的生產(chǎn)和應(yīng)用；第 4 ～ 13 章深入探討蛋白質(zhì)、多糖及核酸等生物大分子材料的設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐應(yīng)用；第 14 ～ 19 章對工程活體材料的設(shè)計(jì)理念、從實(shí)際應(yīng)用到加工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，全方位展示了其在智能響應(yīng)、自我修復(fù)及環(huán)境適應(yīng)性等方面的應(yīng)用，為材料的未來發(fā)展開辟了全新的路徑。第 20 章探討了材料合成生物學(xué)領(lǐng)域可能的發(fā)展方向與趨勢。

本書不僅是合成生物學(xué)、生物工程、生物材料、材料科學(xué)與工程等領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的研究指南，也適合作為高等院校相關(guān)專業(yè)研究生教學(xué)參考書，為培養(yǎng)跨學(xué)科人才貢獻(xiàn)智慧與力量。

（本文編輯：劉四旦）