天津大學，最新Nature大子刊！

新一代單原子血管支架

在能源與生物醫學領域，單原子催化劑因其極高的金屬利用率和催化活性備受矚目。然而，如何大規模、穩定且均一地生產這類催化劑，一直是制約其實際應用的關鍵瓶頸。傳統的制備方法往往面臨過程復雜、成本高昂、高溫損傷基底材料以及難以精確控制原子負載與分散等諸多挑戰。

近日，天津大學張曉東教授團隊報道了一種通用、可擴展且可持續的合成策略，用于大規模制備高穩定性、低成本的單原子催化劑。他們結合量子化學與機器學習，從超過1.9萬種可能的原子活性結構中篩選出最佳候選，并利用離子輻照技術，在1小時內即可在NiTi基底上制備出面積達200平方厘米的單原子催化劑層。其中，雙金屬CoV和PtCu單原子催化劑展現出超越天然酶的生物催化活性，且能穩定保持長達4年。將這些催化劑嵌入NiTi血管支架后，能夠通過持續的多酶催化作用清除過量的氮化物和氧化物，有效保護血管免受損傷。植入3個月后，使用該支架的血管尺寸可達普通NiTi支架的三倍，接近健康血管水平。這一策略有望擴展到其他需要高可持續性和生物活性的生物醫學設備中。相關論文以“Scalable synthesis of sustainable single-atom catalysts for vascular healing”為題，發表在Nature Sustainability上。

研究的起點是一個智能化的篩選過程。如圖1所示，團隊首先結合密度泛函理論與機器學習，對NiTi表面可能的單原子催化活性進行兩階段篩選。第一階段模擬了單原子金屬與抗氧化測試分子ABTS之間的異質結結構，通過預測表面電位，初步篩選出可能提升抗氧化能力的金屬。第二階段則聚焦于化學鍵的電子結構特性。研究人員構建了一個自動編碼器作為特征提取器，將模擬的化學鍵圖像轉換為無損的“原子間基因組”代碼，再通過多層感知器預測其清除ABTS的效率。模型預測與實際測量結果高度吻合，成功從海量可能性中鎖定了PtCu、CoV等潛力組合。

圖1 | 機器學習結合DFT篩選NiTi表面的單原子催化劑。 a，異質結構示意圖：頂部為異質結構配置，底部為NiTi基底。 b，第一階段模型：用于異質結構-NiTi異質結的近似肖特基模型及其能帶結構。 c，受單一原子金屬影響的預測表面電位。 d,e，第二階段模型：由自動編碼器建模的特征基礎設施；由多層感知器建模的屬性預測器。 f，單原子與NiTi基底之間金屬鍵的選定化學鍵圖。 g，自動編碼器的損失曲線。 h，多層感知器的損失曲線。 i，實驗與預測的ABTS清除率散點圖。 j，基于化學鍵的每種摻雜元素組合的預測性能。

篩選出的藍圖通過先進的離子輻照技術變為現實。圖2展示了這種通用且可大規模生產的單原子催化劑制備方案。該方法能在真空環境中，將不同金屬原子精確注入NiTi等基底表面，形成負載密度高、深度可控（約20-30納米）的單原子層。高分辨電鏡和元素分析證實，Pt、Cu等原子以單原子形式無序地占據在NiTi晶格中，形成了豐富的異質金屬鍵和電子轉移，這為其高催化活性奠定了基礎。

圖2 | 單原子催化劑的通用設計。 a，單原子催化劑大規模生產示意圖。 b，PtCu、CoV、CoMn和VMn單原子催化劑的AC-HAADF-STEM圖像。 c，單原子層深度約為20-30納米的AC-HAADF-STEM圖像。 d，嵌入NiTi合金的二維PtCu單原子催化劑局部放大圖。 e，PtCu近表面的放大AC-HAADF-STEM圖像。 f,g，三維原子結構的水平與垂直截面示意圖。 h，沿選定區域的灰度分析。 i，PtCu的EELS分析。 j，從注入層到表面的Ti L邊EELS光譜。

催化劑的性能驗證結果令人振奮。如圖3所示，在22種制備的單原子催化劑中，PtCu和CoV在抗氧化、過氧化物酶樣、過氧化氫酶樣及NADH氧化酶樣活性方面表現最為全面和優異，其活性遠超此前報道的一些納米酶，甚至是天然抗氧化劑Trolox的六倍。尤為關鍵的是，這些催化劑的活性在長達4年的時間里保持穩定，而天然酶的活性在短短數天內就會顯著下降。此外，嵌入PtCu和CoV的支架表面親水性增強，能顯著抑制血小板粘附和纖維蛋白原吸附，展現出良好的血液相容性和抗血栓特性。

圖3 | 單原子催化劑的生物催化及表面特性。 a，單原子催化劑的金屬元素。黃色高亮為主體金屬，藍色為嵌入金屬。 b，22種單原子催化劑生物催化活性的綜合比較。 c，PtCu、CoV、VMn和CoMn存在下抗氧化活性的時間依賴性研究。 d，長達4年的長期生物催化穩定性。 e，單原子催化劑活性與金屬嵌入元素成本的關系。 f,g，不同單原子催化劑表面血小板粘附的SEM圖像及定量結果。 h，單原子催化劑親水性內角圖像。 i，通過ELISA檢測的單原子催化劑對人血漿纖維蛋白原的吸附。

如此卓越性能的奧秘在于其獨特的原子結構。圖4通過理論計算揭示了PtCu和CoV的催化機制。在CoV表面，V原子中心負責高效催化H?O?分解為H?O和O?（過氧化氫酶樣活性）；而在PtCu表面，Pt和Cu位點的協同作用則更利于催化H?O?分解為H?O（過氧化物酶樣活性）。計算顯示，與純NiTi表面相比，這些單原子活性中心顯著降低了關鍵反應步驟的能量壁壘，從而實現了更高的催化效率。

圖4 | 單原子催化劑的DFT計算。 a-d，CoV和PtCu原子結構示意圖及其近表面生物催化過程示意圖。 e,f，CoV的過氧化氫酶樣過程及PtCu的過氧化物酶樣過程的催化路徑示意圖。

研究成果最終在動物模型中接受了檢驗。如圖5所示，在大鼠和兔子的頸動脈損傷模型中，植入CoV和PtCu單原子支架的血管表現出卓越的愈合效果。與裸NiTi支架或商用藥物洗脫支架相比，單原子支架能有效抑制平滑肌細胞過度增生，促進功能性內皮細胞的覆蓋，從而顯著減少新生內膜增厚和血管再狹窄。植入5個月后，單原子支架組的血流速度仍保持良好，且其生物催化活性在體內一年內未見衰減。

圖5 | 嵌入單原子催化劑的支架抑制頸動脈再狹窄。 a，大鼠頸動脈α-SMA和CD31表達的免疫熒光染色圖。 b，支架植入后第28天的相應定量分析。 c，新生內膜厚度、面積及狹窄率的量化分析。 d，不同時間點支架植入動脈的代表性彩色多普勒圖像。 e，各組動物的收縮期峰值流速比值。 f，藥物洗脫支架、PtCu和CoV支架隨時間變化的生物活性。

除了優異的生物性能，該技術在經濟和可持續性上也優勢明顯。圖6的技術經濟分析表明，單原子催化劑所需的金屬原料（除貴金屬Pt外）來源廣泛、成本低廉，且制備過程僅需約3小時，遠快于藥物洗脫支架等傳統工藝。制備的支架可回收再利用，即使在100℃高溫下催化活性也保持穩定，展現出強大的環境適應性和可持續性潛力。

圖6 | 單原子支架的技術經濟分析。 a，單原子支架技術經濟示意圖。 b，單原子支架的循環使用性。 c，單原子支架從體內植入取出后的循環使用性。 d，PtCu、CoV和天然酶的過氧化物酶樣活性隨溫度的穩定性。 e，地球上單原子催化劑所含金屬礦石的豐度。 f，鉑、銅、銀、鐵、鈷、釩、鉻、錳、紫杉醇和雷帕霉素每克的市場價格。 g，單原子支架、藥物洗脫支架和外泌體洗脫支架的生產時間。

總之，這項工作成功開發出兼具可大規模生產、可持續生物活性和原子級可調特性的新一代單原子血管支架。PtCu和CoV支架展現出媲美甚至超越天然酶的多種氧化還原酶樣活性和抗氧化性能，其生物催化活性可長期穩定維持，突破了傳統表面工程支架效力短暫的局限。通過持續、穩定的多酶催化過程，這些支架能有效抑制血栓形成、促進血管修復。這一創新設計為血管治療乃至更廣泛的生物醫學植入器械領域，提供了持久、多功能且可擴展的解決方案，為未來開發可持續生物材料和器件奠定了堅實基礎。