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新一代单原子血管支架

在能源与生物医学领域，单原子催化剂因其极高的金属利用率和催化活性备受瞩目。然而，如何大规模、稳定且均一地生产这类催化剂，一直是制约其实际应用的关键瓶颈。传统的制备方法往往面临过程复杂、成本高昂、高温损伤基底材料以及难以精确控制原子负载与分散等诸多挑战。

近日，天津大学张晓东教授团队报道了一种通用、可扩展且可持续的合成策略，用于大规模制备高稳定性、低成本的单原子催化剂。他们结合量子化学与机器学习，从超过1.9万种可能的原子活性结构中筛选出最佳候选，并利用离子辐照技术，在1小时内即可在NiTi基底上制备出面积达200平方厘米的单原子催化剂层。其中，双金属CoV和PtCu单原子催化剂展现出超越天然酶的生物催化活性，且能稳定保持长达4年。将这些催化剂嵌入NiTi血管支架后，能够通过持续的多酶催化作用清除过量的氮化物和氧化物，有效保护血管免受损伤。植入3个月后，使用该支架的血管尺寸可达普通NiTi支架的三倍，接近健康血管水平。这一策略有望扩展到其他需要高可持续性和生物活性的生物医学设备中。相关论文以“Scalable synthesis of sustainable single-atom catalysts for vascular healing”为题，发表在Nature Sustainability上。

研究的起点是一个智能化的筛选过程。如图1所示，团队首先结合密度泛函理论与机器学习，对NiTi表面可能的单原子催化活性进行两阶段筛选。第一阶段模拟了单原子金属与抗氧化测试分子ABTS之间的异质结结构，通过预测表面电位，初步筛选出可能提升抗氧化能力的金属。第二阶段则聚焦于化学键的电子结构特性。研究人员构建了一个自动编码器作为特征提取器，将模拟的化学键图像转换为无损的“原子间基因组”代码，再通过多层感知器预测其清除ABTS的效率。模型预测与实际测量结果高度吻合，成功从海量可能性中锁定了PtCu、CoV等潜力组合。

图1 | 机器学习结合DFT筛选NiTi表面的单原子催化剂。 a，异质结构示意图：顶部为异质结构配置，底部为NiTi基底。 b，第一阶段模型：用于异质结构-NiTi异质结的近似肖特基模型及其能带结构。 c，受单一原子金属影响的预测表面电位。 d,e，第二阶段模型：由自动编码器建模的特征基础设施；由多层感知器建模的属性预测器。 f，单原子与NiTi基底之间金属键的选定化学键图。 g，自动编码器的损失曲线。 h，多层感知器的损失曲线。 i，实验与预测的ABTS清除率散点图。 j，基于化学键的每种掺杂元素组合的预测性能。

筛选出的蓝图通过先进的离子辐照技术变为现实。图2展示了这种通用且可大规模生产的单原子催化剂制备方案。该方法能在真空环境中，将不同金属原子精确注入NiTi等基底表面，形成负载密度高、深度可控（约20-30纳米）的单原子层。高分辨电镜和元素分析证实，Pt、Cu等原子以单原子形式无序地占据在NiTi晶格中，形成了丰富的异质金属键和电子转移，这为其高催化活性奠定了基础。

图2 | 单原子催化剂的通用设计。 a，单原子催化剂大规模生产示意图。 b，PtCu、CoV、CoMn和VMn单原子催化剂的AC-HAADF-STEM图像。 c，单原子层深度约为20-30纳米的AC-HAADF-STEM图像。 d，嵌入NiTi合金的二维PtCu单原子催化剂局部放大图。 e，PtCu近表面的放大AC-HAADF-STEM图像。 f,g，三维原子结构的水平与垂直截面示意图。 h，沿选定区域的灰度分析。 i，PtCu的EELS分析。 j，从注入层到表面的Ti L边EELS光谱。

催化剂的性能验证结果令人振奋。如图3所示，在22种制备的单原子催化剂中，PtCu和CoV在抗氧化、过氧化物酶样、过氧化氢酶样及NADH氧化酶样活性方面表现最为全面和优异，其活性远超此前报道的一些纳米酶，甚至是天然抗氧化剂Trolox的六倍。尤为关键的是，这些催化剂的活性在长达4年的时间里保持稳定，而天然酶的活性在短短数天内就会显著下降。此外，嵌入PtCu和CoV的支架表面亲水性增强，能显著抑制血小板粘附和纤维蛋白原吸附，展现出良好的血液相容性和抗血栓特性。

图3 | 单原子催化剂的生物催化及表面特性。 a，单原子催化剂的金属元素。黄色高亮为主体金属，蓝色为嵌入金属。 b，22种单原子催化剂生物催化活性的综合比较。 c，PtCu、CoV、VMn和CoMn存在下抗氧化活性的时间依赖性研究。 d，长达4年的长期生物催化稳定性。 e，单原子催化剂活性与金属嵌入元素成本的关系。 f,g，不同单原子催化剂表面血小板粘附的SEM图像及定量结果。 h，单原子催化剂亲水性内角图像。 i，通过ELISA检测的单原子催化剂对人血浆纤维蛋白原的吸附。

如此卓越性能的奥秘在于其独特的原子结构。图4通过理论计算揭示了PtCu和CoV的催化机制。在CoV表面，V原子中心负责高效催化H₂O₂分解为H₂O和O₂（过氧化氢酶样活性）；而在PtCu表面，Pt和Cu位点的协同作用则更利于催化H₂O₂分解为H₂O（过氧化物酶样活性）。计算显示，与纯NiTi表面相比，这些单原子活性中心显著降低了关键反应步骤的能量壁垒，从而实现了更高的催化效率。

图4 | 单原子催化剂的DFT计算。 a-d，CoV和PtCu原子结构示意图及其近表面生物催化过程示意图。 e,f，CoV的过氧化氢酶样过程及PtCu的过氧化物酶样过程的催化路径示意图。

研究成果最终在动物模型中接受了检验。如图5所示，在大鼠和兔子的颈动脉损伤模型中，植入CoV和PtCu单原子支架的血管表现出卓越的愈合效果。与裸NiTi支架或商用药物洗脱支架相比，单原子支架能有效抑制平滑肌细胞过度增生，促进功能性内皮细胞的覆盖，从而显著减少新生内膜增厚和血管再狭窄。植入5个月后，单原子支架组的血流速度仍保持良好，且其生物催化活性在体内一年内未见衰减。

图5 | 嵌入单原子催化剂的支架抑制颈动脉再狭窄。 a，大鼠颈动脉α-SMA和CD31表达的免疫荧光染色图。 b，支架植入后第28天的相应定量分析。 c，新生内膜厚度、面积及狭窄率的量化分析。 d，不同时间点支架植入动脉的代表性彩色多普勒图像。 e，各组动物的收缩期峰值流速比值。 f，药物洗脱支架、PtCu和CoV支架随时间变化的生物活性。

除了优异的生物性能，该技术在经济和可持续性上也优势明显。图6的技术经济分析表明，单原子催化剂所需的金属原料（除贵金属Pt外）来源广泛、成本低廉，且制备过程仅需约3小时，远快于药物洗脱支架等传统工艺。制备的支架可回收再利用，即使在100℃高温下催化活性也保持稳定，展现出强大的环境适应性和可持续性潜力。

图6 | 单原子支架的技术经济分析。 a，单原子支架技术经济示意图。 b，单原子支架的循环使用性。 c，单原子支架从体内植入取出后的循环使用性。 d，PtCu、CoV和天然酶的过氧化物酶样活性随温度的稳定性。 e，地球上单原子催化剂所含金属矿石的丰度。 f，铂、铜、银、铁、钴、钒、铬、锰、紫杉醇和雷帕霉素每克的市场价格。 g，单原子支架、药物洗脱支架和外泌体洗脱支架的生产时间。

总之，这项工作成功开发出兼具可大规模生产、可持续生物活性和原子级可调特性的新一代单原子血管支架。PtCu和CoV支架展现出媲美甚至超越天然酶的多种氧化还原酶样活性和抗氧化性能，其生物催化活性可长期稳定维持，突破了传统表面工程支架效力短暂的局限。通过持续、稳定的多酶催化过程，这些支架能有效抑制血栓形成、促进血管修复。这一创新设计为血管治疗乃至更广泛的生物医学植入器械领域，提供了持久、多功能且可扩展的解决方案，为未来开发可持续生物材料和器件奠定了坚实基础。