本书对材料合成生物学这一蓬勃发展的新兴交叉领域进行了系统性梳理和介绍。首先对可作为构筑单元的生物源材料进行了系统阐述，随后对"活"材料的设计与应用展开了详尽论述。具体而言，第1章阐述了材料合成生物学的核心理念与基础概念，为后续章节奠定了坚实的理论基础。紧接着，第2和3章聚焦于聚乳酸与聚羟基脂肪酸酯这两大生物可降解材料的生产和应用；第4～13章深入探讨蛋白质、多糖及核酸等生物大分子材料的设计原理与实践应用；第14～19章对工程活体材料的设计理念、从实际应用到加工技术进行了总结，全方位展示了其在智能响应、自我修复及环境适应性等方面的应用，为材料的未来发展开辟了全新的路径。第20章探讨了材料合成生物学领域可能的发展方向与趋势。

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2004.9—2009.8 美国康奈尔大学 博士 2001.9—2004.6 北京化工大学 硕士 1997.9—2001.6 天津大学 学士2020.2—至今 中国科学院深圳先进技术研究院 研究员、博导，材料合成生物学中心主任，合成所副所长 2014.7—2020.2 上海科技大学 课题组长、博导，常聘教授 2012.1—2014.6 麻省理工学院 博士后 2009.8—2011.12 华盛顿大学（西雅图）博士后材料科学与工程/材料合成生物学受邀在国际活体功能材料会议、国际生物材料协会年会、亚洲合成生物学会议等国际会议及世界名校做学术报告26次。担任ACS Synthetic Biology 杂志主题编辑、Materials Today Bio编委、《合成生物学》编委等国内外知名学术期刊编委。

目录
第1章 材料合成生物学概述 1
1.1 材料合成生物学的发展和概念 1
1.2 材料合成生物学研究范畴 3
1.3 材料合成生物学全球布局 5
1.3.1 美国：战略引领与系统性投入 5
1.3.2 欧盟：政策驱动与产业转型 6
1.3.3 德国：基础研究与应用转化并重 7
1.3.4 中国：国家战略持续布局 8
1.4 全书脉络 8
参考文献 8
第2章 聚乳酸材料 10
2.1 聚乳酸的材料特性 10
2.1.1 热性能与机械性能 10
2.1.2 影响材料性能的因素 11
2.1.3 绿色特性 12
2.2 聚乳酸的应用领域 12
2.2.1 包装材料 12
2.2.2 医疗材料 13
2.2.3 农业材料 14
2.2.4 纺织品和服装材料 14
2.2.5 3D打印材料 14
2.3 聚乳酸的胞外合成 15
2.3.1 乳酸单体的生物合成途径 16
2.3.2 化学催化乳酸聚合成聚乳酸 21
2.4 聚乳酸的胞内合成 22
2.4.1 聚乳酸的胞内合成途径和代谢途径优化 22
2.4.2 聚乳酸胞内合成的关键酶 24
2.4.3 聚乳酸胞内合成的碳源选择 27
2.4.4 胞内聚乳酸产物的分离纯化与检测 28
2.4.5 聚乳酸胞内合成的主要挑战和研究方向 30
2.5 聚乳酸的改性赋能 31
2.5.1 微生物法合成聚（乳酸-co-3-羟基丁酸酯） 31
2.5.2 其他单体与乳酸共聚 36
2.6 聚乳酸材料的挑战和限制 37
2.6.1 生产成本和经济可行性 38
2.6.2 性能和应用范围的限制 38
2.6.3 市场接受度和消费者意识 39
2.7 聚乳酸材料的创新和发展 40
2.7.1 生物聚合技术的进步 40
2.7.2 未来的潜在应用 41
2.8 总结与展望 43
参考文献 43
第3章 聚羟基脂肪酸酯（PHA）材料 52
3.1 PHA概述 52
3.1.1 PHA的组成和结构 53
3.1.2 PHA的性质 54
3.1.3 PHA的应用 55
3.2 PHA的生产 58
3.2.1 PHA的生物合成途径 58
3.2.2 PHA的生产工艺 60
3.3 PHA材料的定制化合成 61
3.3.1 基于假单胞菌的中长链/功能化PHA的定制化合成 61
3.3.2 短链PHA的定制化合成 64
3.4 PHA材料的低成本生产 69
3.4.1 传统工业生物技术与下一代工业生物技术 69
3.4.2 基于嗜盐微生物的下一代工业生物技术 70
3.4.3 嗜盐微生物的合成生物学改造以实现多种PHA的高效生产 73
3.5 PHA材料的低成本产业化生产 76
3.6 总结与展望 78
参考文献 79
第4章 重组胶原蛋白材料 87
4.1 胶原蛋白概述 87
4.1.1 胶原蛋白的结构 87
4.1.2 胶原蛋白的类型 89
4.1.3 胶原蛋白的合成与降解 90
4.2 重组胶原蛋白概述 92
4.2.1 重组胶原蛋白的发展 93
4.2.2 重组胶原蛋白的特点 94
4.2.3 重组胶原蛋白的分类 95
4.3 重组胶原蛋白的生物制造 95
4.3.1 重组胶原蛋白表达体系的构建 95
4.3.2 重组胶原蛋白生产菌株的发酵调控 98
4.3.3 重组胶原蛋白的分离纯化 101
4.4 重组胶原蛋白的应用 102
4.4.1 骨修复材料 103
4.4.2 创面修复敷料 103
4.4.3 角膜基质再生材料 104
4.4.3 药物输送 105
4.4.4 蛋白质替代疗法 105
4.4.5 皮肤医学 106
4.5 总结与展望 107
参考文献 108
第5章 丝蛋白材料 113
5.1 丝蛋白概述 113
5.2 蛛丝蛋白分类与结构特性 115
5.3 蛛丝蛋白的异源合成 119
5.3.1 蛛丝蛋白异源合成的技术挑战 119
5.3.2 丝蛋白的结构与性质关系 120
5.3.3 丝蛋白合成的细胞工厂构建 123
5.3.4 重组丝蛋白的性能提升 127
5.4 重组丝蛋白的体外组装形式 131
5.4.1 丝蛋白纤维 131
5.4.2 丝蛋白凝胶 134
5.4.3 丝蛋白3D支架 135
5.4.4 丝蛋白静电纺丝纳米纤维 136
5.4.5 丝蛋白活体材料 137
5.4.6 丝蛋白其他组装形式 138
5.5 丝蛋白潜在应用领域 139
5.5.1 医学领域 139
5.5.2 军事与航空领域 142
5.5.3 纺织领域 143
5.5.4 其他领域 144
5.6 丝蛋白产业发展现状 145
5.7 总结与展望 147
参考文献 147
第6章 抗冻蛋白材料 158
6.1 抗冻蛋白 158
6.1.1 抗冻蛋白的来源 159
6.1.2 抗冻蛋白的功能 160
6.1.3 抗冻蛋白的结构 161
6.2 抗冻机理 167
6.2.1 抗冻蛋白扰动水分子 168
6.2.2 抗冻蛋白与冰晶结合 169
6.3 抗冻蛋白模拟物 172
6.3.1 功能仿抗冻蛋白材料 173
6.3.2 结构仿抗冻蛋白材料 175
6.4 抗冻（糖）蛋白的应用 178
6.4.1 抗冻（糖）蛋白在食品工业中的应用 178
6.4.2 抗冻（糖）蛋白在细胞冷冻保存中的应用 179
6.4.3 抗冻（糖）蛋白在涂层方面的应用 180
6.4.4 抗冻（糖）蛋白在冰纯化方面的应用 181
6.5 总结与展望 182
参考文献 182
第7章 模块化的重组蛋白质材料 191
7.1 蛋白质材料概述 191
7.2 天然蛋白质材料 193
7.2.1 自然界中的蛋白质材料 193
7.2.2 天然蛋白质材料的局限性 195
7.3 蛋白质材料构建基元的设计 196
7.3.1 定向进化策略 196
7.3.2 理性设计 200
7.3.3 模块化设计与重组蛋白技术 205
7.4 蛋白质材料的组装技术 210
7.4.1 蛋白质的分级组装与自组装 211
7.4.2 蛋白质组装中的相互作用 216
7.4.3 人工智能辅助蛋白质材料设计 222
7.5 总结与展望 223
参考文献 224
第8章 蛋白质水凝胶材料 233
8.1 蛋白质水凝胶概述 234
8.1.1 蛋白质水凝胶的种类 234
8.1.2 不同种类蛋白质特性对水凝胶性质的影响 236
8.2 蛋白质水凝胶的交联方法及网络构象 237
8.2.1 化学交联方法 237
8.2.2 物理交联方法 240
8.2.3 交联网络构象变化与环境响应 241
8.3 蛋白质水凝胶的物理力学特性 244
8.3.1 水凝胶的物理特性 244
8.3.2 水凝胶的机械性能 245
8.3.3 影响水凝胶物理力学特性的因素 246
8.4 蛋白质水凝胶在生物医药中的应用 249
8.4.1 药物递送 249
8.4.2 细胞培养 252
8.4.3 组织工程 256
8.4.4 其他应用 260
8.5 总结与展望 264
参考文献 266
第9章 可控分子量透明质酸材料 277
9.1 透明质酸概述 277
9.2 透明质酸的合成 278
9.2.1 透明质酸的合成途径 278
9.2.2 透明质酸合酶与透明质酸糖链聚合 279
9.3 透明质酸的酶法降解 281
9.3.1 透明质酸的降解 281
9.3.2 水蛭透明质酸酶基因的序列鉴定及在毕赤酵母中的重组表达 282
9.4 低分子量透明质酸的酶催化生产 284
9.4.1 低分子量透明质酸的生产方法 284
9.4.2 水蛭透明质酸酶酶解制备低分子量透明质酸与寡聚糖 285
9.5 透明质酸可控分子量生物合成 293
9.5.1 超高分子量透明质酸的生物合成 293
9.5.2 中高分子量透明质酸的发酵生产 298
9.5.3 低分子量透明质酸的一步发酵生产 300
9.6 总结与展望 311
参考文献 312
第10章 细菌纤维素材料 315
10.1 细菌纤维素的来源与合成 315
10.1.1 细菌纤维素的来源 315
10.1.2 细菌纤维素的合成 316
10.2 细菌纤维素的发酵工艺 320
10.2.1 微环境对细菌纤维素合成的影响 320
10.2.2 发酵方式对细菌纤维素合成的影响 322
10.3 细菌纤维素的代谢工程改造 324
10.3.1 细菌纤维素的代谢通路 324
10.3.2 调控细菌纤维素合成的遗传工具 326
10.3.3 定向改造细菌纤维素的合成 328
10.4 细菌纤维素功能复合材料的改性方式 331
10.4.1 非原位改性 332
10.4.2 原位改性 333
10.5 细菌纤维素功能复合材料的应用领域 338
10.5.1 油水分离领域 338
10.5.2 伤口敷料领域 339
10.5.3 生物传感领域 340
10.6 总结与展望 342
参考文献 342
第11章 核酸材料 349
11.1 核酸分子与核酸材料 349
11.1.1 核酸分子结构基础 349
11.1.2 核酸分子生物活性 352
11.1.3 核酸材料的优势 354
11.2 核酸材料构建策略 354
11.2.1 基于DNA单链的模块组装 355
11.2.2 基于DNA纳米结构的模块组装 356
11.2.3 热稳定聚合酶链反应 357
11.2.4 滚环扩增 358
11.2.5 杂交链反应 360
11.2.6 杂化组装 361
11.2.7 DNA折纸技术 362
11.3 核酸材料的种类 362
11.3.1 核酸水凝胶 362
11.3.2 纳米核酸材料 367
11.3.3 杂化纳米核酸材料 369
11.4 核酸材料的应用 371
11.4.1 细胞和外泌体的特异分离 371
11.4.2 生物信号检测 372
11.4.3 细胞调控 374
11.4.4 生物成像 375
11.4.5 疾病治疗 377
11.5 总结与展望 383
参考文献 384
第12章 细菌合成纳米材料及半人工光合作用 387
12.1 细菌合成纳米材料概述 387
12.1.1 细菌合成磁小体 388
12.1.2 细菌合成量子点 393
12.1.3 细菌合成其他无机纳米材料 401
12.1.4 潜在挑战 405
12.2 半人工光合作用 407
12.2.1 半人工光合作用概述 407
12.2.2 半人工光合体系构建 409
12.2.3 半人工光合体系优化与应用的潜在挑战 414
12.2.4 系统性优化半人工光合体系 423
12.3 总结与展望 426
参考文献 427
第13章 生物纳米传感材料 440
13.1 一维生物纳米传感材料 441
13.1.1 多肽及蛋白质纳米线的制备 441
13.1.2 多肽及蛋白质纳米线的功能化 443
13.1.3 多肽及蛋白质类纳米线与生物传感 444
13.2 二维生物纳米传感材料 446
13.2.1 细菌S层简介 446
13.2.2 S-层的功能化 447
13.2.3 S层与生物传感 448
13.3 三维生物纳米传感材料 451
13.3.1 蛋白纳米笼 451
13.3.2 生物纳米囊泡 459
13.4 总结与展望 466
参考文献 468
第14章 运用合成生物技术开发活体材料 476
14.1 自然界中的活体材料 478
14.1.1 病毒中的活体材料体系 479
14.1.2 微生物中的活体材料体系 480
14.1.3 植物中的活体材料体系 485
14.1.4 动物中的活体材料体系 487
14.2 工程活体材料设计中的合成生物学要素 488
14.2.1 基因元件与线路 488
14.2.2 功能模块 490
14.2.3 底盘细胞 492
14.3 工程活体材料的合成生物技术设计 493
14.3.1 重构材料模块以定制活体材料功能 493
14.3.2 通过整合基因线路设计响应型活体材料 501
14.3.3 通过多细胞协作制备活体材料 507
14.4 先进合成生物技术在未来活体材料开发中的潜力 511
14.4.1 基因编辑技术 511
14.4.2 定向进化技术 512
14.4.3 定量合成技术 513
14.4.4 合成细胞技术 513
14.5 总结与展望 513
参考文献 514
第15章 工程活体治疗材料 523
15.1 工程活体治疗材料简介 523
15.2 工程活体治疗材料组分选择与设计 523
15.2.1 活体治疗材料中的非活体组分的功能性设计 523
15.2.2 活体治疗材料的生物制造 524
15.3 工程活体治疗材料前沿应用 527
15.3.1 活体治疗材料在代谢疾病中的应用 527
15.3.2 活体治疗材料在炎症性肠病中的应用 528
15.3.3 活体治疗材料在肿瘤治疗中的应用 530
15.3.4 活体治疗材料在组织器官修复中的应用 531
15.4 总结与展望 533
参考文献 535
第16章 活体杂化材料 539
16.1 活体杂化材料的制备策略 540
16.1.1 化学工程技术 540
16.1.2 物理工程技术 543
16.1.3 生物工程技术 545
16.1.4 其他新兴工程技术 546
16.2 活体杂化材料的功能特性 548
16.2.1 自修复与功能再生 548
16.2.2 动态组装结构 548
16.2.3 界面催化作用 550
16.2.4 数据保存及应用 551
16.2.5 磁电效应 553
16.2.6 群体组织与调控 554
16.2.7 环境感知及响应 556
16.2.8 生物降解 558
16.2.9 其他 559
16.3 活体杂化材料的应用领域 561
16.3.1 生物医学领域 561
16.3.2 环保与生态领域 562
16.3.3 活性结构材料领域 563
16.3.4 其他领域 563
16.4 总结与展望 565
参考文献 566
第17章 工程活体建筑材料 573
17.1 工程活体建筑材料概述 573
17.1.1 历史演变与当代相关性 574
17.1.2 活体建筑材料的生物基础 575
17.2 工程活体建筑材料类型 578
17.2.1 活体建筑材料常用生物细胞概述 578
17.2.2 活体建筑材料常用生物细胞的属性和应用 579
17.3 工程活体建筑材料生产与加工技术 582
17.3.1 活体建筑材料构筑单元培养 583
17.3.2 提高强度和耐久性的处理方法 584
17.3.3 性能评估与质量标准化 585
17.4 工程活体建筑材料可持续性与环境影响 586
17.4.1 对生态环境可持续性、碳足迹和资源效率的影响 586
17.4.2 生命周期分析和循环经济 587
17.5 应用案例研究 588
17.5.1 真菌砖 588
17.5.2 细菌混凝土 590
17.5.3 藻类活体砖块 591
17.6 主要挑战及解决方案 592
17.6.1 主要挑战 592
17.6.2 解决方案 593
17.7 总结与展望 594
参考文献 595
第18章 工程活体能源材料 598
18.1 工程活体能源材料概述 598
18.2 能量转换生物模块 600
18.2.1 能量转换蛋白 600
18.2.2 能量转换细胞器 605
18.2.3 能量转换生命体 608
18.3 工程活体能源材料应用范畴 610
18.3.1 光能到电能转换 610
18.3.2 光能到化学能转换 612
18.3.3 光能到光能转换 614
18.3.4 化学能到电能转换 615
18.3.5 化学能到光能转换 618
18.3.6 化学能到机械能转换 619
18.3.7 电能到化学能转换 620
18.3.8 磁能到热能转换 621
18.3.9 磁能到机械能转换 622
18.3.10 机械能到电能转换 623
18.3.11 声能到机械能转换 624
18.3.12 可用于工程活体能源材料的基因线路 625
18.4 总结与展望 628
参考文献 628
第19章 活体材料加工制造 633
19.1 活体材料的分类 634
19.2 活体材料加工制造的构筑单元 635
19.2.1 生命组分的设计与选择 635
19.2.2 非生命组分的设计与选择 635
19.3 活体材料加工制造的方法学 641
19.3.1 原位反应 641
19.3.2 自组装 643
19.3.3 静电纺丝 645
19.3.4 涂层法 646
19.3.5 封装法 648
19.3.6 3D生物打印 650
19.4 活体材料加工制造的挑战与展望 657
19.4.1 精准的生物过程调控 657
19.4.2 集成和兼容性问题 657
19.4.3 规模化生产与成本管理 658
19.4.4 生物安全与伦理 658
参考文献 659
第20章 材料合成生物学的挑战和发展趋势 663