迄今为止,高性能先进材料的制备常需要高温、高压等苛刻条件,伴随着巨大的能源消耗,而自然界中的生物体,如陆上的参天大树,海里的五彩贝壳,空中的翩飞蝴蝶,这些有机体在最低耗的常温常压下,由最常见的物质构成,却有着人造材料难以企及的等级结构和高性能。学习生物体的精细微观结构,模仿其结构或设计新材料,以获得类似的结构或功能特性,我们称为“仿生结构”或“仿生功能”。但生物体在常温常压下合成和制备这些精妙结构的过程更值得探究。模拟动植物体的结构形成过程,或者从动植物体的结构形成过程中得到灵感和启发,进而完成材料的合成与制备,我们称为“生物过程启示的材料合成”。自然界中生物体的结构形成过程都离不开生物大分子的作用。作为典型的生物矿物,牙齿被认为是生物体内最硬、最耐磨的矿化组织,牙釉质由羟基磷灰石纳米纤维层层组装而成,具有卓越的力学性能。釉原蛋白是釉质发育初期最重要的牙釉质基质蛋白,在调控羟基磷灰石的矿化和构建釉质的有序结构上起着举足轻重的作用。釉原蛋白在釉质成熟阶段被消化和吸收,因此,我们无法从生物体中提取大量釉原蛋白,这也使得釉原蛋白对羟基磷灰石的矿化机制尚未揭示清楚。本文首先采用分子生物学技术,使釉原蛋白在大肠杆菌中大量表达,并利用一步法热处理快速纯化,实现釉原蛋白对羟基磷灰石的体外矿化,研究釉原蛋白在羟基磷灰石矿化过程中的作用;然后利用细胞表面展示技术,将釉原蛋白各片段分别展示于细菌外膜,通过体外矿化实验,进一步探索釉原蛋白各片段对羟基磷灰石矿化的作用;最后运用细胞表面展示技术,将自制生物多肽展示于大肠杆菌外膜,利用大肠杆菌天然的微观形貌,合成SnO2多级纳米结构,并将其用于锂离子电池负极材料。具体的研究内容如下:1.构建和表达来了重组鼠釉原蛋白his-AmelX,通过便捷高效的一步法纯化,为羟基磷灰石薄膜的矿化提供充足蛋白质。矿化由碱性磷酸酶启动,发生于L-半胱氨酸自组装单层膜上。研究证明,在pH 7.0-7.4条件下,his-AmelX能够诱导成核并促进羟基磷灰石的生长。此外,当矿化溶液pH值为7.2时,添加了his-AmelX蛋白的样品矿化后,会得到颗粒紧密堆积的羟磷灰石层,这可能得益于his-AmelX的自组装作用。这一研究不但有利于了解生物矿化过程,也为制备先进材料提供了一个可行的方法。2.利用冰核蛋白（INP）表面展示系统,将釉原蛋白各片段分别展示于细菌外膜,通过体外矿化实验,进一步探索釉原蛋白各片段对羟基磷灰石矿化的作用。结果表明,釉原蛋白的C端片段,是诱导羟磷灰石的成核并加速晶体生长的关键,而釉原蛋白的主体N端单独作用于矿化系统时,反而会抑制羟基磷灰石的成核生长。另外,菌体外表面矿化形成的羟基磷灰石包裹层能有效阻挡紫外辐射,保护细菌。3.提出一种生物过程启示的材料合成技术,制备由超微纳米颗粒组装而成的SnO2纳米棒多级结构。简言之,通过细胞表面展示技术,在细菌表面修饰了谷氨酸三肽EEE片段,能够诱导氧化锡前驱体沉积于细胞表面。经过煅烧后,细菌表面不仅提供了限制性空间来控制颗粒尺寸的单分散性,还充当了维持的框架。将矿化后的细菌在氩气气氛下热处理,可以在SnO2纳米颗粒表面获得碳包覆层。碳包覆的SnO2复合材料作为锂离子电池阳极材料,表现出了良好的储锂性能,这得益于材料的纳米尺寸颗粒,碳包覆层和介孔结构。