實時監測角膜塑形鏡生物垢！程昉/張立軍團隊：角膜塑形鏡生物垢的實時監測，利用QCM-D技術揭秘蛋白/脂質吸附動力學與多功能護理液清洗機制
大連理工大學精細化工全國重點實驗室程昉教授團隊與大連理工大學附屬第三人民醫院（大連市眼科醫院）張立軍教授團隊合作，開發了一種基于QSense耗散型石英晶體微天平技術（QCM-D）的角膜塑形鏡（OK鏡）生物垢實時監測平臺，實現了淚液蛋白與脂質在鏡片表面吸附-脫附過程的實時監測。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”發表于國際期刊《Langmuir》(美國化學會ACS旗下界面科學領域著名的學術期刊，創刊于1985年)。
直擊痛點：OK鏡生物垢危害大，傳統檢測有局限
近年來，OK鏡在青少年近視矯正中應用愈發廣泛，國內配鏡量五年間激增204.69%，但其長期佩戴的安全性問題不容忽視。數據顯示，67.0%的OK鏡佩戴者會出現并發癥，其中角膜上皮損傷64.0%，感染性角膜炎發生率達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，不僅對脂質的研究不足，更無法實時追蹤吸附-解吸的動態過程，難以揭示生物污垢形成的分子機制，也讓多功能護理液篩選缺乏科學的定量依據。
核心突破：構建高穩定性QCM-D實時檢測平臺
為解決上述問題，研究團隊通過一系列精準的實驗優化，成功制備出適配QSense QCM-D檢測的OK鏡薄膜傳感器。
關鍵發現：解鎖生物垢吸附的動態規律與影響因素
團隊以淚液中兩種關鍵生物分子：溶菌酶（天然/變性）和卵磷脂（天然/氧化）為研究對象，利用構建的QSense QCM-D平臺，結合生理流場條件，揭示了OK鏡表面生物分子吸附的核心規律：
1. 流速對吸附的影響顯著，低流速污染更嚴重
模擬白天（100 μL/min）和夜間（20 μL/min）的淚液流速發現，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，結構更致密。這也解釋了為何OK鏡夜間佩戴更易形成頑固污垢，即眼瞼閉合導致淚液流速驟降，為生物分子沉積創造了條件。
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構解折疊，暴露內部疏水結構域，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定吸附層，二者均表現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象與動力學存在差異
通過ΔD-ΔF（耗散-頻率）分析發現，天然溶菌酶吸附分為“快速剛性層形成-粘彈性不穩定階段-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象變化，始終為剛性結構；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。
實用價值：篩選比較多功能護理液清洗效果
研究團隊進一步對三款商用多功能護理液（MPS）進行定量篩選，發現MPS #2表現最優，在高流速下可實現四種生物分子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100%、78%、20%、100%，遠優于其他兩款產品。其高效清洗的核心機制在于成分協同：EDTA螯合介導蛋白-鏡片結合的多價金屬離子，削弱蛋白粘附；HPMC作為乳化劑降低表面張力，分散疏水性脂質聚集體，實現蛋白-脂質復合污垢的全面清除。同時，研究也發現，目前護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理液與過氧化氫基消毒液，提升脂質去除效果。
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-解吸的動力學過程提供了定量評價體系，并進一步揭示了生物污垢的形成機制。該方法不僅可實現生物分子洗脫效率的定量分析，還為MPS的配方優化與篩選提供了強有力的工具。本團隊還建立了護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同復配策略，研制出清潔力強、殺菌高效且溫和低刺激的優于市售主流產品的新型護理液配方，相關成果已申請發明專利（專利申請號: 202510366016.2）。
圖 1. 基于 QCM-D 的角膜塑形鏡生物污垢實時監測，揭秘蛋白/脂質吸附動力學及多功能護理液清洗機制
大連理工大學化工學院王勇博士和大連理工大學附屬第三人民醫院（大連市眼科醫院）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基金、大連市第三人民醫院科研項目、遼寧省基礎應用研究計劃、遼寧省科技計劃聯合項目、大連市科技創新基金項目以及中央高校基本科研業務費等項目支持。
文章鏈接: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c06272