利用QCM-D技术揭秘蛋白/脂质吸附动力学与多功能护理液清洗机制

实时监测角膜塑形镜生物垢！程昉/张立军团队：角膜塑形镜生物垢的实时监测，利用QCM-D技术揭秘蛋白/脂质吸附动力学与多功能护理液清洗机制

大连理工大学精细化工全国重点实验室程昉教授团队与大连理工大学附属第三人民医院（大连市眼科医院）张立军教授团队合作，开发了一种基于QSense耗散型石英晶体微天平技术（QCM-D）的角膜塑形镜（OK镜）生物垢实时监测平台，实现了泪液蛋白与脂质在镜片表面吸附-脱附过程的实时监测。该研究成果以“Real-Time Probing of Biofouling Kinetics on Orthokeratology Lenses: QCM-D Quantification of Protein/Lipid Adsorption and Multipurpose Solution-Mediated Elution under Physiological Flow"发表于国际期刊《Langmuir》(美国化学会ACS旗下界面科学领域著名的学术期刊，创刊于1985年)。

直击痛点：OK镜生物垢危害大，传统检测有局限

近年来，OK镜在青少年近视矫正中应用愈发广泛，国内配镜量五年间激增204.69%，但其长期佩戴的安全性问题不容忽视。数据显示，67.0%的OK镜佩戴者会出现并发症，其中角膜上皮损伤64.0%，感染性角膜炎发生率达7.7-13.9/10000，而这一切的重要诱因，正是泪液中的溶菌酶、卵磷脂等生物分子在镜片表面的沉积形成的生物垢。目前，针对OK镜表面污垢的研究多以溶菌酶为模型，采用“终点法"评估蛋白吸附和清洁效果，不仅对脂质的研究不足，更无法实时追踪吸附-解吸的动态过程，难以揭示生物污垢形成的分子机制，也让多功能护理液筛选缺乏科学的定量依据。

核心突破：构建高稳定性QCM-D实时检测平台

为解决上述问题，研究团队通过一系列精准的实验优化，成功制备出适配QSense QCM-D检测的OK镜薄膜传感器。

关键发现：解锁生物垢吸附的动态规律与影响因素

团队以泪液中两种关键生物分子：溶菌酶（天然/变性）和卵磷脂（天然/氧化）为研究对象，利用构建的QSense QCM-D平台，结合生理流场条件，揭示了OK镜表面生物分子吸附的核心规律：

 1. 流速对吸附的影响显著，低流速污染更严重

模拟白天（100 μL/min）和夜间（20 μL/min）的泪液流速发现，低流速下四种生物分子的吸附量较高速流增加37-80%，且形成的吸附层含大量不可逆吸附的生物分子层，结构更致密。这也解释了为何OK镜夜间佩戴更易形成顽固污垢，即眼睑闭合导致泪液流速骤降，为生物分子沉积创造了条件。

 2. 变性溶菌酶、天然卵磷脂是顽固污染物

变性溶菌酶因三级结构解折叠，暴露内部疏水结构域，与镜片表面疏水作用更强；天然卵磷脂凭借长碳链的两亲性，在疏水镜片表面形成稳定吸附层，二者均表现出更强的沉积亲和力，且难以被洗脱，是OK镜表面最主要的顽固污垢成分。

 3. 不同生物分子吸附构象与动力学存在差异

通过ΔD-ΔF（耗散-频率）分析发现，天然溶菌酶吸附分为“快速刚性层形成-粘弹性不稳定阶段-致密刚性层重排"三个阶段；变性溶菌酶快速形成刚性层后短暂松散；天然卵磷脂吸附无明显构象变化，始终为刚性结构；氧化卵磷脂则因亲水性增强，吸附层会逐渐松散，这些差异为针对性防污提供了分子层面的依据。

实用价值：筛选比较多功能护理液清洗效果

研究团队进一步对三款商用多功能护理液（MPS）进行定量筛选，发现MPS #2表现优异，在高流速下可实现四种生物分子100%洗脱，低流速下对溶菌酶变性溶菌酶、天然卵磷脂、氧化卵磷脂的洗脱率分别达100%、78%、20%、100%，远优于其他两款产品。其高效清洗的核心机制在于成分协同：EDTA螯合介导蛋白-镜片结合的多价金属离子，削弱蛋白粘附；HPMC作为乳化剂降低表面张力，分散疏水性脂质聚集体，实现蛋白-脂质复合污垢的全面清除。同时，研究也发现，目前护理液对天然卵磷脂的洗脱率仍较低（约20%），建议临床中可交替使用护理液与H2O2基消毒液，提升脂质去除效果。

本研究从分子层面阐明了生物分子在材料表面的吸附与排布过程，解决了长期以来 OK 镜界面生物分子相互作用机制难以厘清的难题。值得关注的是，本研究建立的检测方法为 OK 镜表面生物分子吸附-解吸的动力学过程提供了定量评价体系，并进一步揭示了生物污垢的形成机制。该方法不仅可实现生物分子洗脱效率的定量分析，还为MPS的配方优化与筛选提供了强有力的工具。本团队还建立了护理液及清洗仪清洁效果的定量评价方法，并通过蔗糖癸酸酯与双胍类防腐剂等成分协同复配策略，研制出清洁力强、杀菌高效且温和低刺激的优于市售主流产品的新型护理液配方，相关成果已申请发明zhuanli（申请号: 202510366016.2）。

图 1. 基于 QCM-D 的角膜塑形镜生物污垢实时监测，揭秘蛋白/脂质吸附动力学及多功能护理液清洗机制

大连理工大学化工学院王勇博士和大连理工大学附属第三人民医院（大连市眼科医院）闫春晓博士为共同第一作者，程昉教授和张立军教授为共同通讯作者，该研究获得国家自然科学基金、大连市第三人民医院科研项目、辽宁省基础应用研究计划、辽宁省科技计划联合项目、大连市科技创新基金项目以及中央高校基本科研业务费等项目支持。

文章链接: DOI:10.1021/acs.langmuir.5c06272