Real-Time Probing of Biofouling Kinetics on Orthokeratology Lenses: QCM-D Quantification of Protein/Lipid Adsorption and Multipurpose Solution-Mediated Elution under Physiological Flow

生物污染 石英晶体微天平 化学 吸附 结垢 生物分子 动力学 洗脱 溶菌酶 色谱法 化学工程 蛋白质吸附 粘附 琼脂糖 纳米技术 微流控 体积流量 镜头(地质) 普鲁兰 纳米孔 纳米尺度 生物物理学 材料科学 流体学 表面粗糙度 临界胶束浓度
作者
Yong Wang,C. Yan,Weiye Liang,Qiang Zhang,Gang Cheng,Jicheng Dong,Lin Jin,Huan Tang,Fang Cheng,L J Zhang
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c06272
摘要

Orthokeratology (OK) lenses for myopia correction are susceptible to biofouling by tear-derived biomolecules, escalating the risks of ocular infection and inflammation. Prevailing studies that rely on end point protein quantification fail to capture the real-time kinetics of fouling formation. Here, we fabricated a UV pressure-assisted polymer-grafted quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) sensor exhibiting exceptional stability, nanoscale smoothness (RMS roughness ≈2 nm), and interfacial peel resistance. This platform enables in situ tracking of adsorption/desorption kinetics for four critical tear components: native/denatured lysozyme and oxidized/native lecithin. Key findings reveal a flow-dependent fouling behavior, wherein low flow rates increase biomolecule adsorption by 37-80% compared with higher flows. We further identify denatured lysozyme and native lecithin as resilient contaminants characterized by a stronger deposition affinity and pronounced resistance to elution. Quantitative screening of multipurpose solutions (MPSs) demonstrates that MPS #2 achieves 20-100% elution rate across biomolecules, outperforming commercial benchmarks. By leveraging dissipation-frequency (D-F) analysis, we clarify the fundamental mechanisms of biofouling formation at the molecular level. Collectively, this work establishes three critical advances: (1) a real-time biofouling diagnostic platform for OK lens interfaces, (2) molecular design principles for antifouling materials based on adhesion remodeling theory, and (3) an accelerated MPS formulation screening paradigm for ocular device safety.
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