本文通过微生物发酵原理、细胞结构学和生物矿化原理多学科交叉,提出以天然营养型酵母活体细胞为模板反应器,用人体所需或能够代谢的磷酸盐来复制生物分子本身特有的复杂纳米结构新合成思路。合成了系列复杂形貌的磷酸盐纳米复合材料,并对其合成机理、结构组成和性能进行了系统的研究。以酵母细胞为催化模板,合成了CHA/酵母蛋白纳米复合材料,利用正交实验法对合成条件进行优化研究和放大实验,采用现代测试技术对合成材料的结构组成和性能进行了综合测试分析。结果表明:合成材料的结构组成重复性好,可实现批量合成,且反应条件温和,工艺简单,无污染,易产业化。在酵母细胞的生理环境中,能快速形成低结晶度碳酸羟基磷灰石(CHA)纳米颗粒,其晶胞参数α=9.4924?,c=6.9092 ?。与直接沉淀法合成的纳米HA(α=9.2329?,c=6.7707 ?)对比,纳米CHA的晶格结构产生了明显的膨胀畸变现象,富钙层钙原子和填隙CO32-基团在CHA颗粒表面和晶界上偏析聚集,形成呈正电性的亚稳态富钙层。CHA纳米颗粒在酵母蛋白的网状结构中均匀分布,并对酵母细胞中的复杂纳米结构进行了复制。CHA/酵母蛋白纳米复合材料由于其特殊的颗粒间隙孔结构和纳米复合结构及CHA的晶格结构膨胀畸变现象,表现出独特的荧光增强效应,对大鼠骨髓基质干细胞、洋葱细胞、面包酵母、鲁氏酵母和米曲霉菌细胞都有一定的荧光转染性能。体外细胞和溶血实验结果表明, L929细胞可以在其表面上很好地黏附增殖,无细胞毒性,无溶血作用。且对难溶药物的负载缓释效果明显,阿莫西林难溶药物的装载量可达112.16 mg/g,药物主要包埋负载在孔结构中,释放速率均匀,没有突释现象,6天释放出总载药量的55 %左右,缓释性能优良,其释药动力学行为属于费克扩散控制型,主要受扩散和降解两种机理控制。多孔结构和残留的各种蛋白酶的催化作用,提高了其可降解性能,因此,CHA/酵母蛋白纳米复合材料,是一种可降解的纳米生物活性材料。并具有特有的疏水亲水两亲性(接触角θ=120°)和左旋光性能(比旋光度为-23°)。同时,酵母蛋白中含有17种人体所需氨基酸(75mg/g),是补充优质完全蛋白质和钙的多功能材料,并有望成为一种新型的荧光标识材料。以酵母细胞为催化模板,分别合成了其他磷酸盐(锌、铁和镁)/酵母蛋白纳米复合材料,并在不同温度热处理2h,合成了不同含碳量的磷酸盐(钙、锌、铁和镁)/活性碳纳米复合材料。结果表明,四水磷酸锌晶粒和富镁型白磷镁石晶粒都沿(020)晶面方向择优生长,而无定形磷酸铁(核)则与球蛋白自组装成具有核壳结构的纳米颗粒。磷酸锌和磷酸镁/酵母蛋白纳米复合材料在不同激发波长下都能够发射不同颜色的荧光,并对洋葱细胞、鲁氏酵母、米曲霉菌和大肠杆菌细胞都有一定的荧光转染性能,也有望成为一种新型的荧光标识材料。不同的磷酸盐/活性碳纳米复合材料都具有优异的氧还原电催化活性,且远高于已经商业化的MnO2催化剂。并从孔结构、原位复合活性碳和晶格结构三个方面解释了不同温度合成样品的氧还原电催化活性的差异,这些材料可作为氧电极催化剂材料应用于生物传感器、金属空气电池、燃料电池等研究中合成机理研究表明:不同金属离子在酵母细胞内的吸附对蛋白质结构组成的影响不同,其氨基酸总含量Mg>Ca>Fe>Zn,对蛋白质结构规整度的影响Ca>Fe>Mg>Zn。在酵母细胞基因调控下,不同的金属离子吸附络合在不同的蛋白质分子上,并沿着其特定方向按照层生长理论择优生长,超分子自组装形成具有不同形貌的磷酸盐/酵母蛋白纳米复合材料,但都具有颗粒间隙孔结构,其孔径分布范围Fe(2～60nm)>Ca(2～40nm)>Mg(2～24nm)>Zn(2～12nm),并且异相快速成核位点都是酵母细胞代谢网络中螺旋沟槽上有序排列的极性亲水基团。酵母细胞的生物矿化过程都包括离子吸附、传输、沉积矿化和超分子自组装四个阶段,并分为酵母细胞壁上的生物诱导矿化和细胞内的生物控制生长。