经过上亿年的进化,生物体制备出了各种各样的生物矿物用以实现不同的生理学功能。其中一个具有代表性例子就是海胆牙齿。虽然海胆牙齿的主要成分为脆性碳酸钙,但是海胆牙齿精心设计的多级结构赋予了它极其优异的耐磨性能。揭示海胆牙齿的结构-功能关系可以为设计高性能人工材料提供新的思路。本文首先利用X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和维氏硬度仪对海胆牙齿的组成、多级结构和力学性能进行了研究。结果表明：海胆牙齿是一个天然的有机-无机复合材料。沿海胆牙齿的T型横截面可以将其分为PP区、SP区、ST区和K区四个部分。每个部分的微结构和硬度都存在较大的差异。其中ST区具有纤维增强的结构特征,且硬度最高。利用透射电子显微镜对ST区纳米结构的观察显示,ST区中纤维和基体都呈现出单晶的衍射特征并具有近乎相同的晶体学取向。然而,进一步的分析却表明,纤维是一个完整的单晶,而基体则是由众多取向高度一致的纳米颗粒所构成的介观晶体。更有趣的是,纤维和基体由众多单晶纳米条带相连接。这些纳米条带在ST区的矿化过程中可能起到了取向传递的作用,同时对维持海胆牙齿结构和功能的稳定性做出了重要的贡献。随后,本文利用纳米压痕仪和扫描电子显微镜研究了ST区的力学性能和摩擦学性能。结果表明,在基本保留地质方解石弹性回复性能的同时,海胆牙齿显示出更加优异的抗穿刺性和耐磨性。对比海胆牙齿、入牙釉质和贝壳珍珠质的力学性能及摩擦学性能可知,海胆牙齿的硬度、弹性模量及耐磨性高于贝壳珍珠质但低于人牙釉质。三种生物矿物力学性能的差异很可能是由于它们不同的成分和多级结构所导致的。最后,本文利用透射电子显微镜和纳米压痕仪对海胆牙齿ST区各结构单元的变形行为进行了研究。结果显示,在应力作用下,单晶纤维倾向于形成e型和r型形变孪晶,而介晶基体则更容易发生断裂。位于纤维和基体中间有机物鞘协调了矿物相的变形过程,为ST区的能量耗散和损伤局域化做出了重要的贡献。