细胞环境中化学转化对调节生物过程和代谢途径至关重要。利用生物级联催化来生产感兴趣的化学物质已成为工业和制药领域的研究热点。特别是通过模拟细胞构建高效的级联反应系统,最近被成功的用于治疗严重威胁人们健康的细菌感染。基于此,我们合成了基于金属有机框架（Metal-organic frameworks,MOFs）/水凝胶的复合材料,从其在生物医学领域中的应用出发,设计了多种高性能的生物级联反应器,并取得了很好的生物催化和杀菌效果。主要成果概况如下:（1）设计并制备了基于MOFs/水凝胶的复合结构,通过控制多种酶在其上的共固定化和空间排序,以构建高效和稳定的生物催化体系。通过在水凝胶微球上控制MOFs的界面矿化来实现了超稳定杂化反应器的制备,在该杂化反应器中,刚性MOFs层与软水凝胶微球的协同作用增强了酶级联活性。同时,MOFs层对水凝胶微球的原始结构和水环境具有很好的保留作用,使该反应体系在极性有机溶剂中具有极大的酶耐受性。此外,通过不同酶在水凝胶微球和MOFs层上的空间排列,该杂化反应器还可以作为一个多区室结构,进行不相容的酶反应,从而给出不同的反应通量和产物输出。该合成方法为设计和制造稳定的多酶反应器提供了新的思路,促进了水凝胶和MOFs在仿生催化中的广泛应用。（2）在先进复合材料的基础上,为了实现抗菌体系的可控激活,我们构建了MOFs嵌入型水凝胶复合材料用于开发由酶、前药构成的响应性治疗型反应器。在其中MOFs纳米颗粒充当前药存储仓库的独立化单元,在细胞内源性物质三磷酸腺苷（ATP）的激活作用下,实现前药在水凝胶内腔中的可控性释放。通过水凝胶内腔中酶的催化作用,实现细胞毒性物质在一锅中的高效转化,并且高毒性产物能通过水凝胶壁实现有效的转运。利用其特性,我们研究了该体系作为生物催化反应器在溶液中的药物代谢动力学,证实了其作为高毒性药物的生产和运输平台的有效性。在对其抗菌机理进行深入的探讨后,进一步将该系统推广到对活体动物的细菌感染治疗。（3）在此基础上,受仿生催化的启发,我们设计了一种级联反应系统通过将葡萄糖氧化酶（GOx）、类芬顿催化活性的血红蛋白（Hb）、一氧化氮（NO）供体L-精氨酸（L-Arg）共包埋于水凝胶微球中,以实现增强的协同抗菌效果。其中,MOFs作为小分子载体能够极大提高L-Arg在水凝胶微球中的装载量。此外,MOFs在细菌酸环境的作用下,通过逐步释放装载的客体分子以进一步增强体系的抗菌效果。一旦葡萄糖被GOx氧化激活,大量的氧自由基（ROS）、有毒的过氧亚硝酸阴离子（ONOO-）和NO通过双级联反应在精心设计的抗菌体系中迅速产生。抗菌实验表明,设计的MOFs负载型水凝胶材料具有良好的抗菌潜力。本研究为探索高性能抗菌效果的生物活性反应器提供了新的设计思路。