實時監(jiān)測角膜塑形鏡生物垢！程昉/張立軍團(tuán)隊：角膜塑形鏡生物垢的實時監(jiān)測，利用QCM-D技術(shù)揭秘蛋白/脂質(zhì)吸附動力學(xué)與多功能護(hù)理液清洗機制

大連理工大學(xué)精細(xì)化工全國重點實驗室程昉教授團(tuán)隊與大連理工大學(xué)附屬第三人民醫(yī)院（大連市眼科醫(yī)院）張立軍教授團(tuán)隊合作，開發(fā)了一種基于QSense耗散型石英晶體微天平技術(shù)（QCM-D）的角膜塑形鏡（OK鏡）生物垢實時監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了淚液蛋白與脂質(zhì)在鏡片表面吸附-脫附過程的實時監(jiān)測。該研究成果以“Real-Time Probing of Biofouling Kinetics on Orthokeratology Lenses: QCM-D Quantification of Protein/Lipid Adsorption and Multipurpose Solution-Mediated Elution under Physiological Flow"發(fā)表于國際期刊《Langmuir》(美國化學(xué)會ACS旗下界面科學(xué)領(lǐng)域著名的學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1985年)。

直擊痛點：OK鏡生物垢危害大，傳統(tǒng)檢測有局限

近年來，OK鏡在青少年近視矯正中應(yīng)用愈發(fā)廣泛，國內(nèi)配鏡量五年間激增204.69%，但其長期佩戴的安全性問題不容忽視。數(shù)據(jù)顯示，67.0%的OK鏡佩戴者會出現(xiàn)并發(fā)癥，其中角膜上皮損傷64.0%，感染性角膜炎發(fā)生率達(dá)7.7-13.9/10000，而這一切的重要誘因，正是淚液中的溶菌酶、卵磷脂等生物分子在鏡片表面的沉積形成的生物垢。目前，針對OK鏡表面污垢的研究多以溶菌酶為模型，采用“終點法"評估蛋白吸附和清潔效果，不僅對脂質(zhì)的研究不足，更無法實時追蹤吸附-解吸的動態(tài)過程，難以揭示生物污垢形成的分子機制，也讓多功能護(hù)理液篩選缺乏科學(xué)的定量依據(jù)。

核心突破：構(gòu)建高穩(wěn)定性QCM-D實時檢測平臺

為解決上述問題，研究團(tuán)隊通過一系列精準(zhǔn)的實驗優(yōu)化，成功制備出適配QSense QCM-D檢測的OK鏡薄膜傳感器。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：解鎖生物垢吸附的動態(tài)規(guī)律與影響因素

團(tuán)隊以淚液中兩種關(guān)鍵生物分子：溶菌酶（天然/變性）和卵磷脂（天然/氧化）為研究對象，利用構(gòu)建的QSense QCM-D平臺，結(jié)合生理流場條件，揭示了OK鏡表面生物分子吸附的核心規(guī)律：

 1. 流速對吸附的影響顯著，低流速污染更嚴(yán)重

模擬白天（100 μL/min）和夜間（20 μL/min）的淚液流速發(fā)現(xiàn)，低流速下四種生物分子的吸附量較高速流增加37-80%，且形成的吸附層含大量不可逆吸附的生物分子層，結(jié)構(gòu)更致密。這也解釋了為何OK鏡夜間佩戴更易形成頑固污垢，即眼瞼閉合導(dǎo)致淚液流速驟降，為生物分子沉積創(chuàng)造了條件。

 2. 變性溶菌酶、天然卵磷脂是頑固污染物

變性溶菌酶因三級結(jié)構(gòu)解折疊，暴露內(nèi)部疏水結(jié)構(gòu)域，與鏡片表面疏水作用更強；天然卵磷脂憑借長碳鏈的兩親性，在疏水鏡片表面形成穩(wěn)定吸附層，二者均表現(xiàn)出更強的沉積親和力，且難以被洗脫，是OK鏡表面最主要的頑固污垢成分。

 3. 不同生物分子吸附構(gòu)象與動力學(xué)存在差異

通過ΔD-ΔF（耗散-頻率）分析發(fā)現(xiàn)，天然溶菌酶吸附分為“快速剛性層形成-粘彈性不穩(wěn)定階段-致密剛性層重排"三個階段；變性溶菌酶快速形成剛性層后短暫松散；天然卵磷脂吸附無明顯構(gòu)象變化，始終為剛性結(jié)構(gòu)；氧化卵磷脂則因親水性增強，吸附層會逐漸松散，這些差異為針對性防污提供了分子層面的依據(jù)。

實用價值：篩選比較多功能護(hù)理液清洗效果

研究團(tuán)隊進(jìn)一步對三款商用多功能護(hù)理液（MPS）進(jìn)行定量篩選，發(fā)現(xiàn)MPS #2表現(xiàn)優(yōu)異，在高流速下可實現(xiàn)四種生物分子100%洗脫，低流速下對溶菌酶變性溶菌酶、天然卵磷脂、氧化卵磷脂的洗脫率分別達(dá)100%、78%、20%、100%，遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩款產(chǎn)品。其高效清洗的核心機制在于成分協(xié)同：EDTA螯合介導(dǎo)蛋白-鏡片結(jié)合的多價金屬離子，削弱蛋白粘附；HPMC作為乳化劑降低表面張力，分散疏水性脂質(zhì)聚集體，實現(xiàn)蛋白-脂質(zhì)復(fù)合污垢的全面清除。同時，研究也發(fā)現(xiàn)，目前護(hù)理液對天然卵磷脂的洗脫率仍較低（約20%），建議臨床中可交替使用護(hù)理液與H2O2基消毒液，提升脂質(zhì)去除效果。

本研究從分子層面闡明了生物分子在材料表面的吸附與排布過程，解決了長期以來 OK 鏡界面生物分子相互作用機制難以厘清的難題。值得關(guān)注的是，本研究建立的檢測方法為 OK 鏡表面生物分子吸附-解吸的動力學(xué)過程提供了定量評價體系，并進(jìn)一步揭示了生物污垢的形成機制。該方法不僅可實現(xiàn)生物分子洗脫效率的定量分析，還為MPS的配方優(yōu)化與篩選提供了強有力的工具。本團(tuán)隊還建立了護(hù)理液及清洗儀清潔效果的定量評價方法，并通過蔗糖癸酸酯與雙胍類防腐劑等成分協(xié)同復(fù)配策略，研制出清潔力強、殺菌高效且溫和低刺激的優(yōu)于市售主流產(chǎn)品的新型護(hù)理液配方，相關(guān)成果已申請發(fā)明zhuanli（申請?zhí)?/span>: 202510366016.2）。

圖 1. 基于 QCM-D 的角膜塑形鏡生物污垢實時監(jiān)測，揭秘蛋白/脂質(zhì)吸附動力學(xué)及多功能護(hù)理液清洗機制

大連理工大學(xué)化工學(xué)院王勇博士和大連理工大學(xué)附屬第三人民醫(yī)院（大連市眼科醫(yī)院）閆春曉博士為共同第一作者，程昉教授和張立軍教授為共同通訊作者，該研究獲得國家自然科學(xué)基金、大連市第三人民醫(yī)院科研項目、遼寧省基礎(chǔ)應(yīng)用研究計劃、遼寧省科技計劃聯(lián)合項目、大連市科技創(chuàng)新基金項目以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目支持。

文章鏈接: DOI:10.1021/acs.langmuir.5c06272