作为重要的生物催化剂，天然酶在调节代谢途径和维持生命活动方面发挥着不可或缺的作用[1]、[2]。近年来，随着生物技术的快速发展，酶已被广泛应用于工业制造、农业生物技术和制药领域[3]。然而，天然酶通常受到内在缺陷的限制，如在高温度或pH条件下稳定性较差、催化效率较低以及操作窗口较窄，这限制了它们在需要高稳定性和耐久性的非生理条件下的应用[4]。
纳米酶是一类具有天然酶模拟活性的纳米材料，作为天然酶的有希望的替代品而受到广泛关注。它们的优势在于克服了生物催化剂的关键局限性，如制备成本高、稳定性差和储存条件苛刻等问题，使其适用于生物传感、治疗和环境管理等多种应用[5]。2007年，中国科学院生物物理研究所的Yan教授及其同事的一项研究取得了重大突破，他们发现氧化铁纳米颗粒（NPs）具有内在的过氧化物酶（POD）样活性。作者成功将这些纳米酶用于酶联免疫吸附测定法进行生物标志物检测，这是首次正式报道纳米酶的研究，揭示了无机纳米材料的酶样潜力[6]。自此，纳米酶研究发展成为一个跨学科领域，涵盖了物理学、化学、材料科学和生物医学。目前，全球有超过50个国家（包括中国、美国、印度、韩国、伊朗、澳大利亚、加拿大、俄罗斯、新加坡和英国）的数千个研究团队正在研究具有氧化还原酶、水解酶、裂解酶、异构酶、转移酶和连接酶等活性的纳米酶[7]。
在纳米酶的概念确立之后，基于锌的纳米酶因其独特的物理化学性质和广泛的催化应用前景而引起了越来越多的关注。这些纳米材料通过表面活性位点吸附反应物分子并调节化学键和反应中间体，从而降低活化能障碍并增强催化动力学[8]、[9]。在某些反应系统中，基于锌的纳米酶参与价态变化，这通常涉及锌离子的释放以及Zn(II)和Zn(I)之间的转换或混合氧化态，促进电子向底物的转移并驱动氧化还原过程[10]。这些价态变化进一步调节了催化微环境的氧化还原电位，引导反应路径朝着更高的选择性和效率发展[11]。值得注意的是，在涉及氧气（O₂）的反应中，锌离子的动态价态变化与O₂协同作用，生成活性氧物种（ROS），如超氧阴离子（•O₂−）和羟基自由基（•OH）。这些ROS在介导生物过程（包括信号通路激活和细胞凋亡诱导）中起着关键作用，这是基于锌的纳米酶在肿瘤治疗和抗菌治疗中应用的基础[12]、[13]。
在各种金属纳米酶中，基于锌的纳米酶因其成本效益、生物安全性和催化性能而具有显著优势，使其成为生物医学、传感和环境修复领域极具吸引力的候选者。锌是一种丰富且低成本的元素，易于获取，为其制备提供了独特优势。从生物安全性的角度来看，锌是人体必需的微量元素，其代谢途径相对明确。这一固有特性赋予了基于锌的纳米酶天然的生物相容性和低毒性，使其长期安全性远优于某些具有潜在生物毒性的过渡金属。这一基础为纳米酶在生物医学领域的深入应用（如体内诊断、治疗和生物植入）铺平了道路[14]。此外，通过精确合成和结构设计，基于锌的纳米酶表现出丰富的可调催化功能。它们可以模拟多种氧化还原酶（如过氧化物酶和氧化酶）的活性。与天然酶和其他纳米酶相比，基于锌的纳米酶具有较低的动力学参数（如米氏常数（Km）和最大反应速率（Vmax）。然而，由于其独特的机制，基于锌的纳米酶在生理pH值和温和温度下保持稳定的催化活性，这与天然酶的操作条件非常吻合。因此，在实际应用中，它们往往表现出更高的催化效率。
基于锌的纳米酶最近成为生物医学和催化科学交叉领域的一个研究热点，显示出在先进应用方面的巨大潜力。对它们多酶活性和响应刺激行为的理解进展使得通过模块化设计和精确调控构建功能可编程的纳米催化系统成为可能。2010年，Rosenbaugh等人开发了基于聚乙二醇（PEG）-聚乙烯亚胺的Cu-Zn超氧化物歧化酶（CuZnSOD）纳米酶，用于治疗血管紧张素II诱导的高血压，为基于锌的纳米酶系统提供了初步的应用范例[15]。随着纳米酶技术的快速发展和锌的生物学重要性，研究兴趣逐渐转向基于锌的纳米酶（图1）。2016年，Nagvenkar等人报道了掺锌的CuO纳米颗粒（Cu₀.₈₉Zn₀.₁₁O）在葡萄糖和抗氧化剂检测中的应用，这是首次证明基于锌的纳米材料具有酶模拟活性的研究，进一步激发了相关探索[16]。后续研究揭示了这些系统中的多种酶活性，包括水解酶（HA）、氧化酶（OXD）、超氧化物歧化酶（SOD）、碳酸酐酶（CA）和POD样行为，不断扩展了它们的应用范围[17]。最近的研究重点是通过合成控制和纳米结构工程来提升性能。例如，Lei的研究小组制备了嵌入N掺杂和O掺杂碳基质中的沸石咪唑olate框架-90（ZIF-90）衍生的锌纳米颗粒（Zn@NOC），其有机磷水解酶（OPH）活性显著优于ZIF-90前体[18]。高通量计算筛选、合理设计和仿生策略的采用进一步丰富了性能提升和应用扩展的途径[19]、[20]。最先进的方法越来越多地采用“模块化设计-精确调控-应用优化”框架，系统地推进基于锌的纳米酶的性能和实用性。基于此，本综述介绍了基于锌的纳米酶的可编程纳米催化系统概念，旨在为未来的研究和开发提供战略指导。
可编程的基于锌的纳米酶是指在分子/纳米尺度上合理设计并精确构建的人工酶系统。它们能够通过执行预定义的逻辑指令，对其结构、酶学性质和高级生物功能进行可预测的、模块化的、通常是动态的控制。这一范式的核心是从被动“可调性”转向主动的“可编程性”。这是通过分层架构实现的，允许按需定制和顺序执行复杂任务。
尽管关于基于锌的纳米酶的研究日益增多，但对该快速发展的领域进行系统性和全面的综述仍然不足。鉴于它们在生物医学应用、环境监测及相关领域的变革潜力，本综述深入分析了基于锌的纳米酶驱动的可编程纳米催化系统的最新进展。在涵盖合成策略、功能性质和实际应用的多维分析框架内，我们阐明了模块化设计原理和精确调控策略如何指导这些系统在微观结构和宏观层面的配置。通过将微观结构控制与宏观性能优化相结合，本综述建立了关键的结构-活性-应用关系。预计这一系统概述不仅有助于探索已知和新兴的金属基纳米酶，还将促进对金属纳米材料及其在生物研究、临床治疗、工业催化和环境修复中实际应用的基础研究。
