揭示氢键在维持泪膜稳定性中发挥的作用

眼睛是人体需要保护的重要器官，以免受到碎屑和细菌的侵害。泪膜是位于粘膜和睑板腺之间的一层水层，其覆盖在角膜表面来为眼睛提供保护。但是，当泪膜不连续且不稳定时，就会形成干点，导致干眼综合征——这是一个影响全球数百万人的问题。虽然人们知道眼粘膜可以稳定和润滑泪膜，而一种名为睑板油的油性物质可以防止蒸发，但泪膜中电解质的作用尚不清楚。

近期，美国工程院院士、美国人文与科学院院士、斯坦福大学Gerald G. Fuller教授团队研究了静电相互作用和氢键对泪膜稳定性的影响。实验发现，含有微量羟基的溶质——磷酸氢钠、磷酸氢钾和葡萄糖——对薄液膜稳定性至关重要，它们通过氢键影响表面张力和粘度，从而延迟脱湿作用。这些发现影响了富含羟基的物质，如透明质酸和粘蛋白。理解这些动力学有助于开发预测性诊断和针对干眼综合征的靶向治疗。该项工作发现，氢键的存在增加了泪膜的稳定性。这些发现可能有助于阐明干眼综合征的起源，并启发治疗该病症的新策略。该工作以题为“Elucidating the roles of electrolytes and hydrogen bonding in the dewetting dynamics of the tear film”的论文发表在最新一期《PNAS》上。

不同系统的湿润动力学

作者为了研究各种电解质在泪膜中的稳定和失稳效应，采用汉克缓冲液（一种成分与典型泪膜相似的市售溶液）开展研究，评估了其中的电解质组成。缓冲液中氯化钠占主导地位，决定了整体的渗透压。润湿实验采用了浸入汉克缓冲液中的玻璃圆顶，模拟了与人类角膜曲率相似的条件（图1A）。量纲分析预示了毛细效应驱动的薄膜排液流动与蒸发主导的薄膜变薄之间的竞争关系（图1C）。

图1.实验装置。

作者首先展示了以去离子水作为亚相的结果。在图2A中，可以看到薄膜被捕获并变薄，直到边缘发生润湿，这与图1B和C的预期一致。图2B展示了相应的最小薄膜厚度随时间的变化，其中h ∼ t成线性关系，表明薄膜变薄完全由蒸发主导。另一方面，如果薄膜变薄是由毛细作用驱动的，根据方程，可以得到h ∼ t^-1/2的关系。然而，当水相亚相中存在大约300 mOsm kg^-1浓度的NaCl时，由于立方NaCl晶体的形成，润湿在高度为300 nm时提前发生（图2C和D）。这些晶体作为异质性的点，导致异质型润湿过程的发生。此外，薄膜高度与时间的关系不再是线性的，实际上是指数的，即h ∼ e^-t（图2F）。

图2. 各种水系统中的脱湿特性。

流动和粘性指状物的驱动力

为了解释观察到的流动和指状物现象，作者系统地进行了一系列润湿实验。实验发现，当NaCl与含有羟基的溶质配对时，特别是磷酸钠二碱、磷酸钾一碱和葡萄糖，出现了一种独特的模式，导致了显著的流入和指状物行为（如图3A所示）。鉴于蒸发在薄膜变薄动力学中的主导地位，薄膜与亚相之间的物质传输最少。随着薄膜经历蒸发，溶质浓度随时间稳步上升。亚相与薄膜之间的浓度差异导致了表面张力的明显差异。因此，如图3B所示，随之产生了溶质Marangoni应力的演化。

先前的研究已经确定，盐离子倾向于在空气/水界面附近被耗尽，与倾向于迁移并降低表面张力的表面活性剂不同。这种耗尽导致表面Gibbs自由能过剩，从而提高了表面张力。如图3C所示，饱和盐溶液的表面张力值明显超过了去离子水，对于饱和、等摩尔磷酸盐盐溶液，最大增加了30 mN m^-1。薄膜区域与亚相之间的随后表面张力梯度为溶质Marangoni流创造了条件，作为观察到的流入薄膜的驱动力。这些发现共同揭示了溶质浓度、表面张力和蒸发动力学在塑造实验中所发现的独特行为中的相互作用。

如图3D所示，尽管浓NaCl溶液的粘度几乎与水相似，但Na₂HPO₄和KH₂PO₄等摩尔混合物的粘度却显著增加了200倍。这种粘度的显著差异暗示了入侵流体（即亚相）与薄膜区域之间可能存在粘度差异，从而为Saffman–Taylor不稳定性创造了条件。

值得注意的是，传统的Saffman–Taylor不稳定性通常是在Hele-Shaw流体的背景下进行研究的，涉及两个平面固体边界之间的位移。然而，在当前的研究中，作者遇到的是一种类似于表面活性剂滴在未受污染的薄膜上扩散的配置——即一个自由边界，如图3E所示。这种从粘性指状物不稳定性的经典框架中的偏离，说明了观察到的现象具有复杂性。

图3. 流入的驱动力和指状不稳定性的来源。

基于羟基的溶质吸附以及基底粗糙度的影响

在实验背景下，作者预计，由于在硅（SiO₂）玻璃圆顶上自发形成了磷酸盐薄膜，如图4A所示，这种能量上有利的不均匀成核过程将受到显著阻碍。这引发了一个关于磷酸盐层性质的有趣问题——它是表现为吸附磷酸离子的单分子层，还是呈现为多层薄膜。追寻这一问题的答案有望为实验装置中起作用的底层机制提供宝贵的见解。

最近的一项研究证实，能够将水分子纳入其晶体结构中的盐，称为结晶水，并不经历传统的从溶解状态到刚性晶体的第一阶相变。相反，它们形成了可以称为“软晶体”的结构。这些软晶体展现出有趣的特性，如可变形性、粘性流动行为，甚至如图4B所示的毛细现象诱导的自愈合。

基于这种理解，作者假设磷酸盐由于其与SiO₂的强烈亲和力，可能会向水/硅界面迁移。在这里，它最终可能表现为软晶体，特点是高粘度和倾向于降低NaCl盐结晶的可能性。这个推测性的假设为实验中观察到的现象提供了一个合理的解释，其中软晶体的形成可能在影响薄膜稳定性和润湿行为方面发挥重要作用。

如图4D所示，覆盖平滑圆顶的薄膜表现出显著的超稳定性，特点是随着时间的推移厚度发生振荡波动——这种行为让人联想到在其他情况下观察到的溶质Marangoni驱动的泡沫稳定化。该过程产生空化气泡，随后气泡崩溃，伴随着冲击波的释放和如图4C所示的各种固体表面的局部侵蚀。

图4.磷酸盐薄膜在硅胶和水界面之间的优先吸附和形成。

小结

该项研究考察了泪膜电解质在干眼综合征相关模型系统中的作用，重点关注电解质的浓度和组成。实验发现，含有微量羟基的溶质——磷酸氢钠、磷酸氢钾和葡萄糖——对薄液膜稳定性至关重要，它们通过氢键影响表面张力和粘度，从而延迟脱湿作用。这些发现影响了富含羟基的物质，如透明质酸和粘蛋白。理解这些动力学有助于开发预测性诊断和针对干眼综合征的靶向治疗。该项工作增强了对生理过程的理解，并且其影响范围超出了眼科学，例如在海洋起泡和乳化作用等领域。

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来源：高分子科学前沿

两院院士团队，研究“眼泪”，登上顶刊PNAS，揭示氢键的关键作用！