众所周知，材料有四个基本要素：制造（加工）、结构、性能与服役性能。生物系统也存在类似的四个要素：生物制造、生物结构、生物性能与服役性能。生物制造过程决定生物结构，生物结构决定生物系统的性能与功能。科学家受生物结构与功能的启示，学习生物物质精妙的结构或功能来制造人工结构材料或功能材料，取得了大量突破性成果。
▲ 传统陶瓷制备工艺与生物过程启示的材料制备技术的差异
生物系统的制造过程（组成与结构形成过程）大多数发生在环境温和的条件下，不需要借助高温高压等苛刻条件而高效、准确地制备生物材料。传统陶瓷工艺的高温烧结与生物系统的室温合成有着本质的区别，前者是高温驱动的原子扩散，而后者是生物质参与指导的合成、传输和组装。
更进一步，生物制造（生物组成与结构的形成过程）同样值得被关注。因为这些生物制造过程大多数在环境温度下进行，这与需要高温甚至高压等人工材料的苛刻制造条件不同。傅正义院士团队认为生物物质精妙的制造过程值得学习。据此，团队提出“生物过程启示的材料制备新技术”这一新的研究方向，也称为材料的过程仿生制备新技术，主张学习生物制造过程，或者生物制造与生物结构之间的关系来发展材料合成与制备新技术。
▲ 生物过程启示的制备技术与仿生材料的关系
在前期研究工作中，傅正义院士团队分别开展了生物矿化、光合作用启示的材料制备研究，取得了一些阶段性重要研究成果。例如，学习骨骼形成过程，发现矿物在胶原纤维内的合成与晶化产物会产生兆帕级收缩应力，首次制备了预应力复合结构陶瓷微管，成果发表于Science 期刊；受生物体内无定形相作为前驱体生成矿物的启示，研究镁离子对无定形碳酸钙结晶转化过程的影响，发现和合成了一种全新的含水碳酸钙晶相一一半水碳酸钙，成果发表于Science 期刊；构建天然生物制备平台，室温下合成具有新结构和良好性能的陶瓷粉体，阐明了生物质与材料界面效应对结构形成过程的影响与调控机制，成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊；并受邀在材料科学领域权威综述期刊Progress inMaterials Science 撰写综述，总结和分析国内外研究进展。傅正义院士也应邀分别在2017年第12届环太平洋陶瓷与玻璃技术会议和2019年第16届欧洲陶瓷协会会议上做“生物过程启示的制备新技术”的大会主旨报告，参会人员均超过千人，在国际学术界产生了较大的影响，并获得了美国陶瓷学会授予的John Jeppson 奖和Samuel Geijsbeek 国际奖。
最近，傅正义院士和邹朝勇研究员与北京航空航天大学江雷院士和程群峰教授、中国科学技术大学俞书宏院士和高怀岭教授、中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员和朱钰方研究员共同承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项“生物过程启示的陶瓷材料室温制备关键科学问题”（2021YFA0715700），致力于发展陶瓷室温与低温制备技术，以期颠覆陶瓷材料的传统高温烧结技术。
▲ 胶原纤维内材料合成生成兆帕级预应力
（a）力学测试装置示意图；（b）矿化过程中肌腱表观形貌；（c）生成收缩应力的曲线；（ d）原始胶原与胶原内材料沉积后显微结构图
大自然通过数十亿年的进化和自然选择，创造了各种高效的生物过程（如生物矿化、光合作用、自组装等），它们都是在温和环境下高效准确地实现合成和制造。迄今为止，人们普遍认为生物矿化和光合作用是自然界中两个独立的初级过程。最近，有研究报道大面积的天然岩石/土壤表面覆盖着Fe和Mn的氧化物（氢氧化物）矿物涂层，它们在太阳光照射下表现出快速响应和稳定的光电转换效率。他们认为这些矿物涂层起到类似于光系统的作用，从而为地球表面的地球化学系统中氧化还原（生物）提供独特的驱动力。还有研究报道金属氧化物、金属硫化物和氧化铁等材料在可见光激发下的光电子会刺激化学能自养细菌及异养细菌的生长。这些工作表明，生物矿化与光合作用在特定条件下有可能产生联系。因此，傅正义院士团队提出将擅长结构控制的生物矿化与擅长捕捉光能和能量传递的光合作用联系起来，为材料合成和加工提供一条全新的途径。相信通过结合生物矿化和人工光合作用来制备材料可以获得意想不到的结果。
▲ 以贝壳作为生物矿化平台
（a）核（Fe₂O₃）-壳（单晶文石CaCO₃）；（b）SiOx 粉体
“生物活体平台制备技术”具有一定的普适性，傅正义院士团队发现并报道了在活体内指导合成宏观可见的具有核（Fe₂O₃）-壳（单晶文石CaCO₃）结构的棒状复合材料（a）。此外，该团队将SiOx、ZrO₂、SnOx、Al₂O₃ 等多种纳米原粉作为珠核插入至淡水蚌中，蛋白质以单个氧化物纳米晶粒为基本单元，逐级动态包裹，形成精细的、有序的、多级包裹的有机-氧化物复合材料。如图（b）所示，包裹后的SiOx 粉体具有类似致密化陶瓷的结构形貌，其精细度是常规混合方法难以得到的，表明生命精细调控下的活性有机质与无机材料之间的确具有独特界面效应。
为了系统展现这些研究工作以及展望未来的发展方向，受材料先进成型与加工技术丛书编委会委托，傅正义院士团队撰写了《生物过程启示的材料制备新技术》（傅正义等著．北京：科学出版社， 2025. 1）一书，首次对该方向的内涵、研究思路和国内外研究进展进行评述和展望。
第1 章介绍了生物过程启示的材料制备新技术思想的提出；第2～7 章介绍了生物矿化启示的材料制备新技术，包括基于生物活体平台、天然生物质诱导、重组蛋白调控、类蛋白物质诱导的合成与制备，并归纳了基于矿化机制的制备新技术；第8 章介绍了光合作用启示的材料合成；第9 章介绍了基于其他天然生物系统平台的材料合成和制备；第10 章介绍了生物过程启示的微观增材制造；第11 章总结全书，并对未来发展方向进行了展望。
本文摘编自《生物过程启示的材料制备新技术》（傅正义等著．北京：科学出版社， 2025. 1）一书“前言”“第1章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。
（材料先进成型与加工技术丛书)
ISBN978-7-03-081041-0
丛书策划：翁靖一
本书可供材料、生物、化学等学科领域科研人员以及高等院校高年级本科生、硕士研究生、博士研究生参考和入门引导。
（本文编辑：刘四旦）
