第一作者：jiahui pei, xiaoyu mu, ruoli zhao, yonghui li
通讯作者：张晓东
通讯单位：天津大学
研究要点
本研究开发了一种基于离子辐照技术的通用、可规模化合成策略，成功制备了高度稳定、低成本的单原子催化剂（sacs）。通过结合量子化学计算与机器学习，从超过1.9万种可能的结构中筛选出高效催化位点，并成功合成了22种sacs，单次制备面积可达200 cm²。其中，双金属cov和ptcu sacs展现出超越天然酶的生物催化活性，且稳定性长达4年。将其嵌入镍钛（niti）血管支架后，该支架可通过持续的多酶催化反应有效清除过量的氮化物和氧化物，保护血管免受损伤。植入3个月后，使用该支架的血管尺寸达到裸niti支架的3倍，接近健康血管水平。这项单原子制造策略兼具高可持续性与生物活性，有望扩展到其他生物医学器件中。
一、研究背景
单原子催化剂因其最大的活性位点暴露、优异的催化活性和可调控的选择性，在能源和生物医学领域展现出巨大应用潜力。特别是在生物催化方面，sacs能够模拟氧化还原酶的功能，具有低成本、可回收和高活性的特点，甚至在某些方面超越天然酶，为抗菌治疗、癌症疗法以及植入式生物材料的安全性和寿命延长提供了新思路。
然而，sacs的大规模、稳定且均质化生产仍面临重大挑战。传统的制备方法，如浸渍-煅烧法，难以精确控制单原子的负载与分散，且重复性与规模化能力不足。物理方法如原子层沉积虽能部分解决这些问题，但其工艺复杂、成本高昂，同样不适用于大规模生产。此外，这些方法通常需要超过800°c的高温，可能严重损害基底材料与器件性能。因此，开发一种可扩展、生物相容性好且能在原子尺度调控的sacs合成方法，对于其在可持续生物医学器件中的应用至关重要。
二、研究思路
1. 催化剂设计与高通量筛选
为理性设计高性能sacs，研究团队首先将密度泛函理论计算与机器学习相结合，对niti基底表面可能的原子活性结构进行了大规模筛选（图1）。他们设计了一个两阶段的过滤算法。第一阶段，主要关注金属单原子与底物之间的电子转移能力，以评估其抗氧化活性。预测的表面电势分析表明，引入pt、fe、co、cu等金属可能有益于提升niti的抗氧化能力。第二阶段，则聚焦于金属单原子与邻近ni/ti原子之间化学键的电子结构特性。研究团队构建了一个由图像自编码器（作为特征提取基础设施）和多层感知机（作为性质预测器）组成的机器学习模型。该模型能够将化学键图像（由电子局域函数描述）转换为无损的“原子间基因组”代码，从而系统评估不同单原子在niti合金上的催化效率。模型预测与实验测量的abts清除率具有良好相关性（r² = 0.89），验证了其可靠性。筛选结果表明，ptcu、agcu、cov和comn等双金属组合在后续实验中值得重点关注。
图1. 结合机器学习与密度泛函理论筛选镍钛表面上的sacs
2. 可扩展合成与原子级表征
基于筛选结果，研究团队采用金属蒸汽真空弧离子辐照技术，在真空环境中高效制备了sacs（图2）。该方法能精确控制注入元素的能量、剂量和种类，可在金属、合金及聚合物等多种基底上生产催化剂，并对原子注入深度和负载率实现高度精确的控制。通过像差校正的高角环形暗场扫描透射电子显微镜观察，证实了金属单原子以高密度嵌入niti晶格中，且均匀分布在表面以下20-30 nm的范围内。x射线衍射谱未显示金属结晶峰，进一步证明了辐照元素以单原子形式存在。高分辨率元素分布分析和电子能量损失谱结果均显示，pt、cu、co、v等异质原子无序占据niti晶格位置，并存在丰富的电子转移，形成了pt-ti、cu-ti等键合，这为高负载率和高催化活性奠定了基础。
图2. sacs的通用设计
3. 卓越的生物催化性能与稳定性
实验评估了22种sacs的生物催化活性。结果显示，pt、ptcu和cov sacs在抗氧化、过氧化物酶（pod）样、过氧化氢酶（cat）样以及nadh氧化酶（nox）样活性方面，均表现出优异的综合性能，远高于此前报道的一些纳米酶，甚至比天然抗氧化剂trolox高出六倍。尤为重要的是，这些sacs的催化活性在长达4年的时间里基本没有衰减，展现出非凡的长期稳定性。相比之下，天然酶在短短2天内即迅速失活。此外，sacs在100°c退火1小时后仍能保持催化稳定性，为其在更苛刻环境下的应用提供了可能。研究还从经济性与生物活性平衡的角度，筛选出ptcu和cov作为后续应用的重点。
图3. sacs的生物催化特性与表面性质
4. 催化机制的理论阐释
结合原子尺度表征和理论计算，研究团队揭示了cov和ptcu sacs的高催化活性机制（图4）。对于cov sacs，其高cat样活性源于v位点与h₂o₂反应形成中间体v-o，进而促进h₂o₂转化为h₂o和o₂，该过程的速率决定步骤能垒远低于纯niti表面。对于ptcu sacs，其高pod样活性则源于吸附的h₂o₂在表面分解为h₂o而不产生o₂。计算表明，ptcu表面对oh物种具有适中的吸附强度，促进了oh*质子化为h₂o，从而使水解吸和活性位点再暴露的能垒显著降低。这些机制与机器学习预测高度一致，阐明了单原子位点通过调控反应路径和降低能垒来实现高效催化的原理。
图4. sacs的密度泛函理论计算
5. 促进血管愈合的动物实验验证
研究将筛选出的高性能sacs嵌入niti血管支架，并在大鼠和兔子颈动脉损伤模型中评估其疗效（图5）。体外血小板粘附和纤维蛋白原吸附实验表明，ptcu和cov sacs表面能显著减少血小板粘附数量并抑制纤维蛋白原吸附，这与其表面亲水性增强（接触角减小）有关，显示出良好的抗血栓特性。
动物体内实验取得了显著效果。植入单原子修饰支架后，血管壁的平滑肌细胞收缩标志物α-sma表达上调，而内皮细胞标志物cd31表达显示形成了完整、连续的新生内膜，这有利于抑制血管再狭窄。在兔子模型中，植入3个月后，传统niti支架组出现了显著的新生内膜增厚和高达80%的狭窄率，而cov sacs支架组的新生内膜厚度显著减小，狭窄率仅为10.2%，比药物洗脱支架组还低17.8%。超声多普勒检测显示，植入5个月后，cov和ptcu支架组的血流畅通性保持良好，其收缩期峰值流速比显著优于药物洗脱支架组。更重要的是，报道的药物洗脱支架在植入2-3个月后药物活性会降至10%以下，而单原子支架的生物活性在体内1年内没有下降，显示出持久的生物功能。
图5. 促进血管愈合的动物实验验证
6. 技术经济分析与可持续性优势
最后，研究对单原子支架进行了技术经济分析（图6）。与传统源自生物提取、成本高昂且不可再生的天然酶，或制备工艺复杂、价格昂贵的药物洗脱支架相比，单原子支架展现出显著优势：其金属原料来源于地球上储量丰富的矿石，成本低廉；采用离子辐照技术，单次可大面积制备（>200 cm²），且制备时间短（约3小时），远少于药物洗脱支架（~309.8小时）；催化剂活性在回收5次后仍能保持90%以上，且植入取出后稳定性不变；材料在高达100°c下仍能保持活性。综合来看，单原子嵌入支架在时间成本、经济成本、生物相容性和长期稳定性方面均具备强大竞争力。
图6. 技术经济分析
三、小结
本研究成功开发了一种下一代单原子血管支架，它集可大规模生产、可持续生物活性和原子级可调特性于一身，提供了持久稳定的性能。ptcu和cov支架展现出多种类氧化还原酶活性和抗氧化特性，其性能比肩甚至超越天然酶和传统抗氧化剂。其卓越性能归因于高密度的富电子单金属活性位点，这些位点通过持续的、稳定的多酶催化过程，显著减少了血小板聚集和纤维蛋白粘附，并有效促进血管修复。
这项工作的创新之处在于，它通过“机器学习筛选 离子辐照可控制备 多尺度机理阐释”的研究范式，为可持续生物材料与器件的开发提供了全新思路。该策略不仅限于血管支架，未来可扩展到心脏起搏器、神经电极、生物电子器件等多种植入式医疗设备中。随着人工智能的发展，利用深度学习算法筛选多金属单原子组合并精确调控其生物活性，将为进一步优化性能开辟道路。这项研究代表了一种变革性的进步，为实现耐用、适应性强、可扩展且具有成本效益的生物医学植入物奠定了坚实基础，有望革新血管治疗与再生医学领域。
原文详情：
jiahui pei et al. scalable synthesis of sustainable single-atom catalysts for vascular healing. nature sustainability (2025).
https://doi.org/10.1038/s41893-025-01713-7
