纳米酶是一类具有类酶催化特性的纳米材料,自2007年阎锡蕴院士课题组首次发现四氧化三铁具有本征的类过氧化物酶活性以来,一系列不同种类的纳米材料,如金属、金属氧化物、碳基纳米材料和金属有机框架（MOF）材料等被陆续证明可作为纳米酶。同时,研究者发现纳米酶不仅可模拟过氧化物酶、过氧化氢酶、氧化酶和超氧化物歧化酶等氧化还原酶活性,还可表现出类水解酶、类脱羧酶等活性。这些不同种类纳米酶的开发丰富了人工酶模拟物的种类。作为天然酶替代品,纳米酶具有一些优于天然酶的特点,比如成本低、稳定性高、活性可调、可规模化制备等。因此,近些年来纳米酶在抗菌治疗、肿瘤治疗等生物医学领域得到了快速发展。然而,现阶段纳米酶研究领域的主要挑战是如何通过纳米酶的理性设计实现高催化活性纳米酶的可控合成,揭示其类酶催化过程及如何构建高效低毒的纳米酶基催化治疗体系。这些挑战需要研究者持续地探索和了解纳米酶的表界面结构及性质、深入探究纳米酶的构效关系,最终以阐明纳米酶在体内复杂微环境的作用机制。本论文基于天然酶的催化活性结构和催化行为,对纳米酶进行仿生设计。从金属活性中心调控、配位原子选择、配位数优化等多方面,深入系统地开发了多种具有明确活性结构的单原子纳米酶（SAzymes）。本论文的主要内容如下:首先,以沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-8）衍生的Zn-N-C单原子催化剂作为研究对象,首次发展了一种具有优良类过氧化物酶活性的单原子锌纳米酶——PMCS。PMCS具有与天然酶相似的催化活性和M–Nx活性位点。实验结果表明,PMCS的高催化活性可归因于配位不饱和的Zn–N4活性位点。此外,通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了PMCS的催化机制,Zn–N4可促进H2O2的均裂过程,产生羟基自由基（·OH）。在体外抗菌实验中,PMCS对铜绿假单胞菌的抑制率高达99.87%。在体内伤口感染模型中,PMCS明显促进了伤口愈合,在第6天时伤口已接近愈合,同时对各种组织和器官没有明显毒性。为进一步调控金属活性中心及模拟天然过氧化物酶的活性结构,发展了一种由富氮原料三聚氰胺所介导的高温热解活化策略,用于可控地合成铁金属中心单原子纳米酶（Fe N5 SAzyme）,它显示出与天然酶相似的五配位活性结构和催化行为。由轴向第五N配体与Fe–N4平面构成的Fe–N5结构可有效增强类过氧化物酶活性,Fe N5 SAzyme催化效率分别是四配位单原子铁纳米酶和传统Fe3O4的7.64倍和3.45×10~5倍。实验和DFT计算证实,Fe–N5活性结构对H2O2表现出更高的亲和力和更好的活化能力,能够显著降低反应限速步骤能垒。通过诱导H2O2分解成有毒的·OH,Fe N5SAzyme实现了对肿瘤细胞的特异性杀伤,并显著延长了4T1荷瘤小鼠的生存期。最后,为实现单原子纳米酶金属活性位点电子结构的优化,利用化学气相沉积法将S元素引入到碳纳米结构中,构建了一种S工程化的单原子铜纳米酶Cu-N/S-C。通过多种理化性质表征手段确定了Cu-N/S-C具有Cu–N1S2的活性位点。与非S工程化的单原子铜纳米酶Cu-N-C相比,Cu-N/S-C表现出更高的类过氧化物酶活性以及特有的类过氧化氢酶活性。在催化反应过程中,S的引入对H2O2的活化及分解有着重要的作用。另外,由于在近红外区域的优异吸收性质,Cu-N/S-C还表现出光热性质和光动力性质,并且其光动力性质可被其本身的类过氧化氢酶活性显著增强。细胞水平和动物水平上的治疗实验表明,具有Cu–N1S2位点的Cu-N/S-C可通过纳米酶催化治疗与光疗间的协同效应,实现对肿瘤细胞的特异性损伤,进而阻断肿瘤的进程,最终实现高达85.9%的肿瘤抑制率。综上,本论文基于天然酶的活性结构和催化活性,创新性地开发了多种金属中心的单原子纳米酶。均匀、分散的金属活性位点使单原子纳米酶具有最大化的原子利用效率,进而表现出优异类酶活性。其明确的活性位点结构为揭示纳米酶构效关系提供便利和优势,类酶催化过程中单原子纳米酶具有的不饱和配位金属位点对提高底物亲和力和活化能力具有重要作用。基于此构建的单原子纳米酶催化治疗体系能够实现优良的抗菌和抗肿瘤治疗性能。这些工作将为纳米酶的仿生设计和高催化活性治疗剂的研发开辟新前景。