Nat Sustain｜医学部医学院研发超高稳定单原子生物催化材料，赋能心脑血管植入器械升级

2025年12月22日，天津大学医学部医学院张晓东教授团队在Nature Sustainability发表最新研究成果，成功开发了一种可实现规模化制备且具备超高稳定性的单原子生物催化材料。该材料已成功应用于生物植入型血管支架，在长期植入条件下表现出优异性能，为心脑血管疾病的长期干预提供了新的技术路径和应用前景。

单原子催化剂凭借极高的原子利用效率、优异的催化活性以及可调控的催化选择性，近年来在能源转化与生物医学等领域受到广泛关注。然而，如何实现单原子催化剂的规模化、可控构筑，仍是制约其走向实际应用的关键难题。现有制备方法中，共沉淀、高温煅烧等传统工艺难以精确调控原子级分散状态，高温处理过程还可能导致材料结构与性能劣化；而原子层沉积等高精度技术虽然能够实现原子级调控，但普遍存在成本高、工艺复杂、产能受限等问题，难以满足大规模生产和实际应用需求。

针对这一关键瓶颈，张晓东教授团队提出了一种基于异质结界面的通用型单原子催化剂制备策略。研究团队将机器学习与密度泛函理论（DFT）计算相结合，对19,196种原子构型进行了系统筛选与结构设计，精准锁定了具有潜在催化活性的单原子单元。在此基础上，团队创新性地引入离子注入技术，在临床广泛使用的镍钛合金基底上实现了单原子催化剂的高效、均匀负载，首次在该体系中实现了规模化制备。该方法单次制备时间仅需数小时，催化材料面积可达200cm²，并已成功拓展至PtCu、CoV等22种不同的单原子催化剂体系，显示出良好的通用性。与此同时，该制备过程在温和条件下完成，避免了传统方法中超过800℃的高温处理，有效保持了基底材料的结构完整性与力学性能。此外，其催化活性在长达4年的测试周期内未出现明显衰减。

在此基础上，研究团队将该技术进一步拓展至血管介入医疗器械领域，成功开发出新一代“单原子血管支架”。该支架依托持续、高效的类酶催化功能，可在体内长期清除血管微环境中过量的氮氧化物，从源头减轻氧化应激损伤与炎症反应，有效抑制血管再狭窄等术后并发症。在大鼠和兔颈动脉损伤模型中，该单原子血管支架在预防血管损伤和促进血管功能恢复方面均表现出显著效果。持续5个月的监测结果表明，其长效稳定的生物催化特性有效克服了传统药物涂层支架中药物活性维持时间有限的固有缺陷，为血管组织的长期修复与功能维持提供了新的解决方案。与此同时，作为一种具有良好通用性的制备技术，该策略不仅突破了天然酶在规模化制备和长期稳定性方面的局限，还通过引入并筛选以CoV为代表的轻量化原子体系，有效规避了传统重金属单原子催化剂带来的高成本问题，为医疗器械的高效、可持续发展提供了一条可行的技术路径。

上述研究成果以“Scalable synthesis of sustainable single-atom catalysts for vascular healing”为题于2025年12月22日在线发表于Nature Sustainability期刊（影响因子：27.1）。该论文的第一单位为天津大学，张晓东教授为该论文的唯一通讯作者，裴家晖博士为该论文的第一作者，穆晓宇副教授、赵若荔博士和李永徽副教授为共同第一作者。