【摘要与题图】材料的不均匀降解并非都源于初始的先天缺陷或者使用环境的空间不均匀性, 任何一个随机降解的过程必然会后天获得异质性。然而长期以来缺乏这方面的基础理论, 甚至连后天不均匀性的定量统计参数也未被确立, 严重影响了相关器件在服役过程中的可靠性。控制这种随机降解导致的后天不均匀性对于生物可吸收血管支架等医疗器械尤为重要, 因为这种不均匀降解导致的短板效应可使得支架的某些局部提前断裂, 且难以预测。经过长期思考，复旦大学丁建东教授受泊松雨点问题启发, 建立了定量描述随机降解的时空演化方程组, 并指导学生将其用于量化比较有、无聚合物涂层时可降解金属的获得性腐蚀不均匀程度。复旦大学团队的研究发现, 在仿生介质中, 聚乳酸涂层可使得铁的腐蚀速率提升3倍, 更将其腐蚀不均匀性降低至原有水平的 1/4000, 这一发现颠覆了传统认知——尽管腐蚀被加快, 器械的断裂反而会延迟发生。通过上海复旦大学、北京阜外医院、深圳元心公司（先健公司的子公司）三方合作，取得了全链条研究成果：开发了生物降解可控的金属-聚合物复合支架, 在心血管介入治疗中有效规避了早期断裂的风险；大动物模型的临床前研究、涉及1108例患者的多队列冠脉支架植入以及首批人体植入的全部 45个病例的5年随访结果均证实, 这种综合了可水解高分子与可腐蚀金属的金属-聚合物复合型可降解支架具有良好的安全性与有效性。论文的理论框架原则上可推广至舰船腐蚀、桥梁断裂、气象变化、生物演化、大数据波动等因随机时空演化产生后天不均匀性、从而影响系统可靠性的领域。

在生物可降解植入器械领域，一个被长期忽视却关乎成败的因素是“后天不均匀性”。这是指材料在服役过程中随时间演变不断加剧的固有的非均匀降解，并非源于先天的制造缺陷。如何量化并控制这种内在随机性，对于需要兼顾力学强度与降解行为的生物可降解植入物尤为关键。特别在心血管支架领域，铁基等可腐蚀金属虽具备理想的力学性能从而作为最早的可降解冠脉支架基材被德国人予以研究，也最早被予以否定、成为海内外学界的“常识”。原因在于，铁在生理环境下整体的腐蚀速率过慢，并且因局部腐蚀而形成力学短板、导致不可预测的早期断裂。

复旦大学聚合物工程全国重点实验室主任、生物医用材料专家丁建东教授综合其高分子科学和其他学科的知识，颠覆了这个“常识”。经过长期思考，丁建东教授从经典数学中的“泊松雨点问题”获得灵感，推导出一套随机降解方程组，实现了对可降解金属腐蚀不均匀性的定量表征。研究团队发现，聚乳酸（PLA）高分子涂层使铁基底的腐蚀速率提升3倍，却将其不均匀性降低超过4000倍，最终使铁丝在降解更快的前提下反而断裂更晚、耐久性更强。基于这一发现，复旦大学、阜外医院、元心公司三方合作，开发了超薄的可降解金属-聚合物复合支架，并在1108例患者的大规模临床队列及45例首次人体试验（FIH）的5年随访中，验证了其可靠的安全性与有效性。

为了量化金属腐蚀的后天不均匀性，丁建东教授在其随机降解方程组的基础上定义了一个新参数 Γ，即，腐蚀覆盖率（θ）达到50%时的平均腐蚀深度（d_corro，质量损失的等效深度）。Γ值越小，表明腐蚀越均匀（图1）。

图1.降解不均匀对于血管支架的危害的示意图以及金属腐蚀不均匀性定量参数Γ的提出。

随后，该团队通过实验系统探究了可降解的PLA涂层和不可降解的PMMA涂层对于Fe、Mg、Zn三种可降解金属腐蚀不均匀性的影响。结果发现，PLA涂层对铁腐蚀不均匀性的调控最为显著，可以使其Γ值降低超过4000倍。裸铁在模拟血浆的Hank’s液中的腐蚀极不均匀，而PLA涂层能显著抑制点蚀的过度加深，使腐蚀分布更均匀（图2）。

图2.裸、PLA涂层和PMMA涂层的Fe、Mg、Zn基底在实验中获得并经方程拟合的腐蚀覆盖率（θ）与平均腐蚀深度（d_corro）曲线及对应的Γ值。

腐蚀过程可以被看作随机成核与生长的时空演化。丁建东教授认为，随机成核相当于泊松雨滴、雨滴引起的“涟漪”相当于点蚀导致的腐蚀坑前沿，由此推导了腐蚀覆盖率-深度-时间三者间的定量关系，建立了随机降解方程组，并定义了描述腐蚀不均匀性的参量Γ（图3）。该理论框架首次为“后天不均匀性”提供了数学描述工具，不仅适用于金属腐蚀，也可推广至聚合物水解、陶瓷侵蚀等随机降解体系。

图3.降解不均匀性的创新量化方法。（a）不均匀降解程度的示意图，重点展示降解覆盖率与降解深度的关系。（b）泊松雨滴和“涟漪”的示意图。（c）推导随机降解方程组的基本逻辑思路，最终提出降解不均匀性参数Γ。

复旦大学研究团队系统考察了聚合物涂层对三种金属基底腐蚀速率的影响。结果表明，在模拟血浆的Hank’s溶液中，PLA涂层对铁基底的作用最为突出，可将其腐蚀速率提升逾3倍。这个使用聚合物涂层调控金属腐蚀行为的策略在纯水、生理盐水、人工海水及模拟体液的磷酸盐缓冲液PBS等多种介质中均得到了验证，具有普适性（图4）。尤为重要的是，PLA涂层使铁在生理环境下实现“快而匀”的腐蚀，不仅克服了铁基材料固有的降解过慢缺陷，同时保留了其优异的力学性能，这一特质使其在冠脉支架领域极具应用前景。

图4.聚合物涂层在不同浸泡介质中影响金属腐蚀速率与不均匀性。（a）裸金属、覆盖有PLA涂层和PMMA涂层的Fe、Mg、Zn基底在Hank’s溶液中浸泡30天后腐蚀质量随时间的变化（左）及腐蚀速率（右）。（b）裸铁与PLA涂层铁在5种不同介质中浸泡后的θ - d_corro曲线及Γ值。DI：去离子水；AS：人工海水；HS：模拟血浆的Hank’s溶液；PBS：模拟体液的磷酸盐缓冲液；NS：生理盐水。（c）裸铁与PLA涂层铁在5种不同介质中的腐蚀速率（左），以及裸铁与PLA涂层铁在5种不同介质中腐蚀速率和Γ值的双倍标准差（2SD）与均值之比（右）。

针对PLA涂层对铁基底的双效调控作用，研究团队进一步揭示了其背后的机制。一方面，PLA水解产生酸性微环境，使PLA涂层-Fe界面处pH从7.4降至5.6；另一方面，PLA涂层有效抑制了Ca-P钝化层在铁表面的沉积。两者的协同效应降低了点蚀成核能垒，促进了大量浅点蚀的快速形成，使腐蚀从“深而少”转变为“浅而多”，从而同时提升了腐蚀速率与均匀性（图5）。

图5. PLA涂层通过抑制Ca-P沉积和降低PLA-Fe界面pH来加速铁腐蚀并促进均匀腐蚀。（a）生理条件下铁腐蚀的布拜图显示低pH驱动腐蚀。（b）PLA高分子水解生成酸性产物的化学方程式（左）。右上示意图和右下照片显示使用两种不同系列pH试纸测得的PLA-Fe界面pH值。两种系列均显示PLA-Fe界面pH约为5.6，低于介质pH（约7.4）。（c）裸铁和PLA涂层铁在Hank’s溶液中浸泡后的扫描电化学显微镜SECM图像。裸铁较早形成腐蚀点蚀，而PLA涂层铁随时间发展出高密度浅点蚀。（d）裸铁和PLA涂层铁表面在Hank’s溶液中浸泡7天后的SEM图像。（e）示意图显示PLA涂层铁基底点蚀成核的能垒降低，导致表面形成数量多、但深度浅的点蚀坑。

力学测试显示，尽管PLA涂层铁丝的腐蚀质量损失更大，但在30天浸泡后，其极限强度和断裂伸长率均显著高于裸铁。疲劳测试中，裸铁在约19,000次循环后断裂，而PLA涂层铁在40,000次循环后仍未断裂（图6）。这种“腐蚀更快、断裂更晚”的反常识结果，归因于均匀腐蚀消除了局部断裂，即使整体强度下降，结构完整性却得以保持。

图6. PLA涂层铁在体液模拟介质中具有快速但相对均匀的腐蚀，兼具抗断裂和抗疲劳性能。（a）示意图概述了PLA涂层铁发生快速腐蚀但延迟断裂的力学悖论。快速腐蚀通常导致早期断裂，而均匀腐蚀则延迟断裂。（b）SEM图像证实裸铁丝表面有局部深点蚀。（c）裸铁和PLA涂层铁丝在Hank’s溶液中浸泡7天后的应力-应变曲线。（d）两种金属丝的极限强度（左）和断裂伸长率（右）。（e）循环浸没疲劳测试示意图（左）。右图显示裸铁（上）和PLA涂层铁（下）在腐蚀7天后于循环压缩（1 Hz）下指定循环次数的应力-应变滞回曲线。PLA涂层铁在测试的最大循环次数内未发生断裂，而裸铁在所示循环次数下断裂。（f）示意图说明PLA涂层导致铁具有“反常”的抗腐蚀断裂性能背后的科学原理。

基于上述发现，团队开发了生物降解可控的PLA涂层铁基冠脉支架（图7），在心血管介入治疗中能有效规避早期断裂的风险。

图7.生物降解可控的PLA涂层铁基支架。（a）制备完成的PLA涂层铁支架整体（左）和横截面（右）视图。以该论文最后一位作者的头发丝作为参照可以看出，支架梁细如丝发。（b）裸铁（左）和PLA涂层铁（右）支架在Hank’s溶液中浸泡后的SEM图像。裸支架显示局部断裂。

该支架的安全性与有效性经受了三重验证：猪模型临床前研究、覆盖1108例患者的多队列临床试验植入，以及45例首次人体植入（FIH）病例长达5年的完整随访。核心临床数据显示：0例心源性死亡、0例靶血管心肌梗死、5例临床驱动的靶病变血运重建，靶病变失败率（TLF）为11.1%，支架内血栓发生率为0%（图8）。这一远期表现不仅优于完全由可降解高分子构成的全球首个上市的可降解冠脉支架Absorb BVS（后来退市），也优于当前作为冠脉支架金标准的由不可降解金属作为基材的Xience支架。

图8. PLA涂层支架的临床结果。（a）PLA涂层铁支架经股动脉以微创方式导管介入巴马猪冠状动脉的示意图（左）、术后1年代表性H&E染色图像（中）、PLA涂层支架的直径狭窄率统计分布（n = 20）（右）。数据以均值±标准差表示。虚线表示具有显著支架内再狭窄的临床标准，即直径狭窄率50%。（b）男性患者LCx冠状动脉在PLA涂层支架植入前和植入后2年的冠脉造影图像。（c）图b中患者计算所得的直径狭窄率数值。（d）一位男性患者术后6个月（6 M）和2年（2 Y）的光学相干成像OCT图（左）。支架降解百分比基于OCT图像按以下公式计算：降解率= ，其中d_i为降解等级，N_i为对应数量。（e）所有45例FIH病例中PLA涂层铁支架的临床结果。

该研究所建立的理论框架与聚合物涂层调控策略，其适用范围远超血管支架领域——凡因随机时空演化而产生“后天不均匀性”、进而影响系统可靠性的场景，如舰船、水利设施、生物演化、乃至大数据分析等，均有望从中获得启示（图9）。

图9.随机降解方程组以及论文的基础研究理论框架有望被推广的部分其他领域。

复旦大学高分子科学系博士毕业生李昕、硕士毕业生吴文婕为论文的共同第一作者，她们的导师、复旦大学丁建东教授为论文的通讯作者之一，合作单位的技术负责人阜外医院高润霖院士、先健科技张德元博士为论文的共同通讯作者。

论文信息：Xin Li#, Wenjie Wu#, Wanqian Zhang, Hong Qiu, Xun Ma, Hongjie Zhang, Yongli Qi, Haiping Qi, Ye Fu, Lei Song, Ying Xia, Xiaoye Yu, Qunsong Wang, Gui Zhang, Jie Qian, Deyuan Zhang*, Runlin Gao*, Jiandong Ding*,A set of equations for random degradation quantifies the role of polymer coatings in mitigating the acquired heterogeneity of corrodible metals for biodegradable stents, Sci. China Mater., SCMs-2026-0827 (2026)

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-026-4230-8

【作者简介】

丁建东，复旦大学高分子科学系教授，聚合物分子工程全国重点实验室主任。在复旦大学于1988年获生物物理学学士学位、于1991年和1995年获高分子化学与物理专业的硕士和博士学位，1998-1999期间在英国剑桥大学材料系从事博士后研究。他回国后开辟了新的研究方向，长期从事聚合物分子工程的基础研究以及生物医用材料的全链条研究，得到数个国家级人才计划的资助。近来连续11年入选国际高被引科学家名录，一项医用材料相关的国际标准被ISO批准。作为第一完成人获得上海市科学技术进步一等奖、教育部自然科学一等奖和日内瓦国际发明金奖。其引领的研究在2025年被国际纯粹与应用化学会评为全球十大突破性技术。

张德元，先健元心科技的技术负责人。于1990年获得东南大学硕士学位，2001年获得北京科技大学博士学位。研究方向聚焦于介入心血管医疗器械的开发，特别是铁基生物可吸收支架系统。

高润霖，阜外医院主任医师，中国工程院院士。于1965年获得北京医科大学学士学位，1981年获得中国协和医科大学硕士学位。在心血管医学的临床实践与科学研究方面拥有丰富经验，是中国介入心脏病学的先驱之一，也是一位具有全球影响力的中国心血管临床专家。