人類文明的長河，伴隨著材料演進的壯麗史詩。鐵器的出現，極大地增強了人類改造自然的能力。而硅的發現，照亮了信息革命的道路，引領我們步入了數字時代。每一次材料的革新都深刻地改變了人類社會的面貌。隨著合成生物學的蓬勃發展，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（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科，將生物學的原理與工程學的手段相結合 ，它將生命體系的獨特屬性賦予材料，使創造的材料擁有了自再生、自修復、自適應及環境響應等卓越性能，使創造的材料擁有了自再生、自修復、自適應及環境響應等卓越性能 ，推動了材料科學的跨越式進步。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域，將兩者的優勢巧妙融合，為人類社會帶來了前所未有的創新機遇。

在不久的將來，我們的日常生活將發生翻天覆地的變化：皮包不再是傳統皮革的制品，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，而是蘑菇經過精心培育的杰作；牛肉，無需宰殺牲畜，可以直接在實驗室里“培養”出來；疫苗，不再依賴于復雜的生產線，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的清潔能源……這些曾經只存在于科幻小說中的場景，如今正逐漸變為現實。

追溯歷史，該領域誕生于 2014 年，哈佛大學和麻省理工學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劃局（ DARPA ）提供了高達 5000 萬美元的資金支持，用于該領域的技術開發。進入 21 世紀 20 年代，隨著全球對可持續發展的高度重視，該領域迎來了爆發式增長，各國紛紛加大投入，競相布局。 2021 年，美國工程生物學研究聯盟（ EBRC ）發布了《工程生物學與材料科學：跨學科創新研究路線圖》（

Engineering Biology and Materials Science: A

Roadmap for Interdisciplinary Innovation

），聚焦兩大領域的深度融合與技術創新。同年，歐洲創新理事會（ EIC ）也將工程活體材料納入首批“探路者”項目，彰顯其戰略地位。 2023 年，美國國家科學基金會（ NSF ）更是宣布斥資 1.62 億美元，推動包括工程活體材料在內的九項先進材料研發，并與美國國家癌癥 研究所（ NCI ）聯合舉辦研討會，深入探討活材料在醫療領域的應用前景。德國科學基金會（ DFG ）亦不甘落后，設立了為期六年的“適應性工程活體材料”優先項目，旨在促進生命體系與非生命體系的協同創新與市場應用。在國內，國家重點研發計劃亦在 2020 年和 2024 年持續布局，為該領域的蓬勃發展提供有力支撐。

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材料合成生物學

鐘超主編

北京 : 科學出版社 ; 濟南 : 山東科學技術出版社 , 2025 . 3

( 合成生物學叢書 )

ISBN 978 - 7 - 03 - 081287 - 2

鑒于材料合成生物學的迅猛發展態勢，我們有幸邀請國內從事可持續生物材料研究的青年才俊，共同撰寫《材料合成生物學》，以期為有志于該領域的同仁提供參考與借鑒。

作為國內率先以“材料合成生物學”命名的權威著作，該書全面而深入地探討了蛋白質、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”等領域的最新進展與發展趨勢，并對材料合成生物學的未來發展之路進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踐指導，助力其探索材料合成生物學這一新興領域；同時，也可以作為高等院校的前沿教材，旨在幫助學生構建系統的知識體系，激發創新思維，為培養未來生物材料領域的領軍人才奠定堅實基礎。

作為合成生物學領域的研究者，我深感材料合成生物學的重要性。它不僅為我們提供了一種全新的材料設計和制造方法，更為解決當前全球面臨的資源與環境問題提供了新的思路。通過合成生物技術，我們可以設計和制造出具有自修復、自適應和智能響應等特性的新型材料，這些材料將在醫療、能源、環境等領域發揮重要作用。該書的出版，正是對這一領域研究成果的總結和展望，相信它將為材料科學、合成生物學及相應交叉學科的研究者提供寶貴的參考，推動這一領域的進一步發展。我們期待材料合成生物學在未來能夠取得更多突破，為人類的可持續發展貢獻力量。

元英進

中國科學院院士

2025 年3 月

本書旨在全面介紹材料合成生物學這一蓬勃發展的研究領域，涵蓋其研究現狀、最新進展及未來發展方向。全書內容精心組織，共分為 20 章。 第 1 章概述 材料合成生物學。第 2 ～ 13 章聚焦于生物源的自組織材料，深入探討其分子設計、自組裝機制及功能特性，為讀者呈現這一領域的豐富內涵和廣闊前景。第 14 ～ 19 章則轉向活體功能材料，詳細闡述其在環境治理、生物醫用、材料表面涂層及黏合劑等多個領域的創新應用，展示活體材料的獨特魅力和無限可能。最后，第 20 章總結歸納材料合成生物學面臨的挑戰和發展方向，提供前瞻性的思考和探索路徑。

• 第 1 章由鐘超及其團隊成員編寫；

• 第 2 章由陶飛及其團隊成員編寫；

• 第 3 章由陳國強、譚丹編寫；

• 第 4 章由范代娣及其團隊成員編寫；

• 第 5 章由柏文琴及其團隊成員編寫；

• 第 6 章由張雷及其團隊成員編寫；

• 第 7 章由孫飛及其團隊成員編寫；

• 第 8 章由曹毅及其團隊成員編寫；

• 第 9 章由康振及其團隊成員編寫；

• 第 10 章由鐘成及其團隊成員編寫；

• 第 11 章由仰 大勇及其團隊成員編寫；

• 第 12 章由高翔、王博及其團隊成員編寫；

• 第 13 章由王殿冰及其團隊成員編寫；

• 第 14 章由安柏霖、王艷怡及其團隊成員編寫；

• 第 15 章由陳飛、于寅、霍敏鋒編寫；

• 第 16 章由劉盡堯及其團隊成員編寫；

• 第 17 章由李柯編寫；

• 第 18 章由王新宇及其團隊成員編寫；

• 第 19 章由余子夷及其團隊成員編寫；

• 第 20 章由鐘超及其團隊成員編寫。

在此，我們衷心感謝編寫團隊的辛勤付出與無私奉獻，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，共同推動該領域的繁榮發展。希望本書能為廣大讀者提供有益的啟示與借鑒，共同開創可持續發展的美好未來。

我相信該書的出版，能夠為從事材料科學、合成生物學及相關領域的研究人員、工程師和學生提供有價值的參考，也期待更多不同學科的學者和專業人士投身于這一充滿前景領域的研究和應用中。未來的材料科學，必將與生命科學更加緊密地結合，而材料合成生物學將成為這一融合的核心驅動力。讓我們共同期待材料合成生物學的不斷突破，推動新材料的誕生，為我們的可持續未來注入新的動力。

施劍林

中國科學院院士

2025 年3 月

本文摘編自《 材料合成生物學 》（ 鐘超主編 . 北京 : 科學出版社 ; 濟南 : 山東科學技術出版社 , 2025 . 3 ）一書“前言”“ 序一 ”“序二”“ 第 1 章 材料合成生物學概述 ”，有刪減修改，標題為編者所加。

( 合成生物學叢書 )

ISBN 978 - 7 - 03 - 081287 - 2

責任編輯：王 靜 羅 靜 劉 晶 陳 昕 張 琳

本書對材料合成生物學這一蓬勃發展的新興交叉領域進行了系統性梳理和介紹。首先對可作為構筑單元的生物源材料進行了系統闡述，隨后對“活”材料的設計與應用展開了詳盡論述。具體而言，第 1 章闡述了材料合成生物學的核心理念與基礎概念，為后續章節奠定了堅實的理論基礎。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和應用；第 4 ～ 13 章深入探討蛋白質、多糖及核酸等生物大分子材料的設計原理與實踐應用；第 14 ～ 19 章對工程活體材料的設計理念、從實際應用到加工技術進行了總結，全方位展示了其在智能響應、自我修復及環境適應性等方面的應用，為材料的未來發展開辟了全新的路徑。第 20 章探討了材料合成生物學領域可能的發展方向與趨勢。

本書不僅是合成生物學、生物工程、生物材料、材料科學與工程等領域專家學者的研究指南，也適合作為高等院校相關專業研究生教學參考書，為培養跨學科人才貢獻智慧與力量。

（本文編輯：劉四旦）

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