16位院士加持，42篇文章，《AM》出版生物聚合物专刊，解锁大自然的百宝箱！

生物聚合物，如纤维素、甲壳素、蛋白质、DNA等，广泛存在于地球上的生物体中。它们在支撑生物体的生命活动、推动生物进化以及促进人类文明进步等方面发挥了至关重要的作用。随着现代工业的发展，生物聚合物在许多技术领域逐渐被合成聚合物所取代。然而，在全球对可持续发展日益重视的时代背景下，生物聚合物凭借其丰富性、环境友好性、生物相容性、可生物降解性以及其所独有的、合成聚合物难以实现的层级组装结构和性能，迎来了“复兴”，重新在材料科学与工程领域焕发出勃勃生机。

《Advanced Materials》是世界领先的顶级材料科学学术期刊，以其非凡的影响力和卓越的编辑水平而闻名。2025年6月，《Advanced Materials》以“Exploring Nature's Toolbox: The Role of Biopolymers in Sustainable Materials Science”为主题出版专刊，系统地报道了生物聚合物领域最新的国际前沿研究进展。

图1 专刊的封面

本期专刊由清华大学张莹莹教授、复旦大学凌盛杰教授、东北林业大学陈文帅教授、麻省理工学院Markus J. Buehler院士和塔夫茨大学David L. Kaplan院士联合担任客座编辑，汇集了来自全球包括16位院士在内的顶尖科学家课题组的42篇文章（包括3篇观点文章、20篇综述文章和19篇研究文章）。本期专刊重点关注在国际上被广泛研究的生物聚合物，包括纤维素和一些主要的蛋白质，其它生物聚合物如甲壳素和DNA，人工智能在生物聚合物研究中的应用，以及生物聚合物材料的多样化应用。

1. 纤维素

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，广泛存在于高等植物、一些海洋动物、藻类和真菌中。Mahiar Max Hamedi等阐述了纤维素和木材作为可持续先进材料在人类文明演变中的重要作用，以及它们在未来建筑、水和能源等领域的巨大潜力。张仁云等通过将纳米石墨和微晶纤维素整合到纸中，开发了一种可用于能量收集和智能传感的工程化纸基纳米发电机。余桂华等以纤维素为原料，通过烷基化引入热响应基团，并整合两性离子基团，合成了用于大气水收集的分子功能化水凝胶。张楚虹等介绍了一种低共熔溶剂细胞剪切策略，用于调整竹子的细胞结构，从而调节其衍生硬碳中的闭孔结构，实现快速的钠存储。杨亚等提出了纤维素模板化纳米材料的概念，总结了纤维素作为客体或模板用于生产并整合各种纳米材料或纳米结构材料的研究进展。俞书宏等总结了通过纳米纤丝化纤维素或细菌纤维素组装生产的一系列可持续结构材料。Mark J. MacLachlan等专注于瞬态技术，介绍了由纤维素材料构建的瞬态器件的研究进展。宋平安等将纳米纤丝化纤维素与聚氨酯复合，利用空气和冰双重模板构建了具有弹性、疏水且隔热的复合气凝胶。Lennart Bergström等利用非弹性中子散射技术结合广角X射线散射和小角中子散射技术，研究了纳米纤维素的湿度依赖振动动力学与声子输运理论。Silvia Vignolini等报道了一种通过在超疏水表面上干燥纤维素纳米晶体悬浊液微滴来制造光子颜料的简易方法。陈文帅等利用木质纳米纤丝化纤维素为原料，构建了一种具有层级结构的碳框架支撑的磷掺杂二氧化钼纳米颗粒，用以优化锂硫电池中的氧化还原动力学。Sang-Young Lee等采用纳米纤丝化纤维素作为电极粘结剂，用于分散锂多硫化物，以开发贫电解液锂硫电池。郭再萍等总结了细菌纤维素在各种电化学能量储存系统中的应用。

2. 蛋白质

蛋白质是生命的基石，支撑着细胞生存和正常运转所必需的无数基本且重要的功能。David L. Kaplan等对丝素的独特结构和多功能性提出了见解，讨论了丝素由自然进化塑造的卓越特性及其在可持续材料设计中的巨大潜力。陈晓东等总结了丝素用于开发自主电子器件的独特优势，讨论了丝素材料的特性及其在功能纤维和智能纺织品、表皮电子设备以及可适应植入物中的应用。蒋欣泉等通过结合丝素和钙离子，设计并制造了自增强离子凝胶生物粘附界面，用于硬组织和生物电子设备的整合与监测。王琳等通过调节丝胶蛋白的结构来提高压电性能，并构建了可植入的、具有生物相容性且可降解的丝胶蛋白基能量收集器。沈怡等介绍了蛋白质的液-液相分离和液-固转变机制，以及如何通过相变控制制造多功能生物材料。Raffaele Mezzenga等将乳清蛋白衍生的蛋白纳米纤维与红萝卜花青素复合，制造了一种智能包装，可通过颜色变化来监测食品变质情况。杨鹏等采用机械引导的转变方法，将相变后的蛋白纳米膜转化为具有高矿化活性的、结晶的、层级结构的淀粉样纤维。Pooi See Lee等使用羊毛角蛋白制造离子电子学器件，用于机械能收集、自供能传感和离子逻辑电路。张宇等总结了使用明胶及其衍生物构建的工程化活体系统的设计、制造和应用。

3. 其他生物聚合物

除了纤维素和蛋白质外的一些生物聚合物，也在材料科学研究中备受关注。DNA是遗传信息的天然载体，也可以作为数字数据存储的工具。樊春海等总结了DNA信息存储数据读出技术的最新研究进展。张立群等介绍了由生物分子以及木质素、DNA等生物聚合物构筑的弹性体，并对其设计、性能和生物医学应用进行了综述。陈学思等总结了聚乳酸的立体化学、材料性能及其应用。Eero Kontturi等通过冷冻诱导的纳米甲壳素组装制备了具有层状结构的多孔材料，可用于光驱动的全细胞生物转化。Gustav Nyström等通过机械解纤丝状真菌，开发了来自菌丝体的活纤维分散液。

4. 引入人工智能的研究

人工智能是新一轮科技革命的重要驱动力，在生物聚合物材料科学领域也同样引起了广泛的关注。Markus J. Buehler等提出了一种人工智能方法—SciAgents—整合本体知识图谱、大型语言模型、数据检索工具以及多智能体系统，以自主探索科学数据、生成假设，并促进含有生物聚合物的高新材料的创造，同时提升材料的力学性能和可持续性。Grace X. Gu等强调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应用，重点关注长度和时间尺度的建模方法，并讨论了如何利用人工智能促进材料设计的优化和制造过程的改进。秦钊等研究了含有纤维素和二氧化硅的竹子表皮的结构和力学性能。受颗粒分布启发构建了人工智能模型，可以指导制造高韧性的颗粒增强复合材料。凌盛杰等报道了一种人工智能赋能的丝素离子触摸屏，可实现实时触摸感应、手写识别和先进的人机交互。

5. 多样化应用

生物聚合物凭借其丰富多样性和优越的性能，在仿生学、能源、电子、环境科学、工程学以及生物医学等诸多学科领域中都备受关注。Peter Fratzl等从生物体的角度探讨了材料的可持续性，并阐述了可重塑的材料合成、加工和利用的范式。支春义等总结了多糖、多核苷酸和多肽在锂金属和锌金属电池中的开发和应用。Erlantz Lizundia等研究了锂离子电池中生物聚合物电解质的环境可持续性。王中林等总结了生物聚合物和仿生技术在摩擦纳米发电机中的应用，以及用于摩擦电能收集的生物聚合物基器件的研究进展。王钻开等介绍了生物聚合物电子皮肤的研究进展，讨论了材料设计、多感官功能和能量收集应用。张莹莹等总结了生物聚合物衍生碳材料及其在可穿戴物理传感器、化学传感器、能源系统和显示器件中的应用进展。余桂华等介绍了生物聚合物水凝胶、气凝胶和碳气凝胶的合成策略，以及这些材料在能源存储、水净化、湿/热管理和生物电子学领域的应用。贺曦敏等讨论了具有定制特性和功能的生物聚合物水凝胶的层级结构，介绍了其在工程学、环境学和生物医学领域的应用。王玉忠等总结了制造生物聚合物基阻燃剂和阻燃材料的方法，强调了其在热绝缘、锂离子电池和火灾预警传感器中的应用。朱美芳等介绍了由生物聚合物构筑的纤维聚集材料，并总结了其设计、加工以及在诊断和治疗中的应用。

客座编辑团队衷心感谢Advanced Materials期刊的David Huesmann博士、翁博博士、Irem Bayindir-Buchhalter博士和Esther Levy博士给予的巨大帮助和支持。本期专刊深入探讨了来自大自然百宝箱的巨大潜力，衷心希望读者们能够在阅读的过程中获得启发与灵感。

客座编辑介绍

张莹莹，清华大学化学系长聘教授，博士生导师。2007年于北京大学化学与分子工程学院获得博士学位；之后在美国Los Alamos国家实验室从事博士后研究工作；2011年加入清华大学，任独立课题组组长。研究兴趣包括低维碳材料、蚕丝蛋白材料及其功能复合材料，发展其在柔性电子器件、智能织物和特种纤维领域的应用。中国化学会高级会员、中国材料学会纤维改性与复合分会常务理事、中国材料学会纳米材料与器件分会理事。荣获中国青年科技奖。

凌盛杰，复旦大学高分子科学系研究员、博士生导师。于2014年在复旦大学高分子科学系获得博士学位，随后赴美国麻省理工学院从事博士后研究。2017年，加入上海科技大学物质科学与技术学院，担任独立课题组组长，并于2024年回到复旦大学高分子科学系任职。研究兴趣包括：结合先进表征技术与计算模拟，探索生物材料的微观结构与力学性能关系，为仿生材料设计提供理论依据。基于天然高分子开发新型生物相容材料，并探索其在柔性电子、生物医学等领域的应用。利用人工智能方法辅助优化生物材料的结构与性能，推动高性能仿生材料的理性开发。

陈文帅，东北林业大学木材科学与工程专业教授、博士生导师。黑龙江省青联常委、中国青年科技工作者协会理事、黑龙江省“新青年奖”十佳人物、黑龙江省青年五四奖章、黑龙江省优秀教师。主要从事木材物理学研究，在林木纤丝解聚、重组与高效利用方面做出一系列创新性研究工作。获2023 Energies Award、梁希林业科学技术奖自然科学二等奖、中国林业青年科技奖、黑龙江省青年科技奖、中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖、黑龙江省高校教师教学创新大赛二等奖、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金等奖励。

Markus J. Buehler，美国麻省理工学院土木与环境工程系教授。美国工程院院士。研究工作专注于多尺度建模、人工智能驱动的设计以及先进生物材料的制造，致力于将分子结构与功能特性联系起来。在人工智能辅助的科学发现、图推理以及从头蛋白质设计方面开创了先河，揭示了像丝素和胶原蛋白这样的结构蛋白的基本原理。

David L. Kaplan，美国塔夫茨大学讲席教授。美国工程院院士，美国国家发明家科学院院士。研究工作聚焦于生物聚合物工程、组织工程和细胞农业。领导的研究组主要关注材料科学与工程相关的丝素、胶原蛋白、弹性蛋白和角蛋白等蛋白质系统的生物材料研究，利用遗传工具来修改序列-结构关系，并研究与组织工程相关的细胞相互作用。

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