在胶体系统和界面科学领域，理解溶质与固体材料表面的相互作用对于众多应用至关重要，从日常使用的护发素、织物柔软剂到植入体内的医疗器械，其性能和稳定性往往取决于界面发生的微观过程。然而，传统表征技术通常侧重于平衡状态下的性质，难以实时捕捉动态的吸附和解吸过程。这限制了对相关机理的深入理解，例如，为何某些活性成分能更有效地附着在头发或织物纤维上，或者如何防止生物蛋白在植入体表面不必要的吸附所可能引发的并发症。
为了解决这些问题，研究人员将目光投向了电动力学现象中的流动电位测量技术。这项技术能够灵敏地反映固液界面的电荷特性。本研究创新地将传统的表面zeta电位分析与动态流动电位测量相结合，旨在实时监测水溶性溶质在固体材料表面的吸附动力学行为。相关研究成果发表在《Next Materials》上，为界面过程的定量研究提供了新的有力工具。
研究人员开展此项研究主要依托几个关键技术方法：一是利用流动电位/流动电流测量系统（如SurPASS系列仪器）进行表面zeta电位分析和动态吸附过程监测；二是采用不同的压力控制模式（如压力斜坡法）来精确测定流动电位耦合系数，从而提高测量准确性；三是针对不同形态的样品（如扁平样品、纤维柱、多孔材料）设计了相应的测量池以适应其特性；四是在模拟实际应用环境的缓冲液体系（如稀释的磷酸盐缓冲液PBS、人工唾液）中进行实验，以考察电解质成分和离子强度的影响；此外，研究还涉及对蛋白质（如溶菌酶、牛血清白蛋白BSA、免疫球蛋白IgG、单克隆抗体mAb）和表面活性剂（如阳离子表面活性剂REWOQUAT、非离子表面活性剂PS 20）等溶质吸附行为的表征。案例研究中使用的样本包括高加索人头发束、棉-改性丙烯腈混纺织物、钴铬合金CoCr、不锈钢316L、纯钛cp Ti以及医用级硅胶管等实体材料。
研究结果
1. 护发护理案例研究
通过分析商业护发素配方在健康头发上的吸附，研究发现阳离子活性物能快速（约1分钟内）通过静电吸引吸附在带负电的头发表面，导致zeta电位由负转正。动态流动电位测量清晰地记录了吸附动力学，显示其速率受配方中组分的影响。预处理（如使用洗发水）会改变头发表面状态，影响后续护发素的吸附量和最终表面覆盖度。对单一阳离子聚合物（聚季铵盐-10, PQ-10）的吸附研究表明，其吸附速率和平衡表面覆盖度随溶液浓度增加而增加，吸附动力学符合一级反应特征。
2. 纺织品护理案例研究
研究比较了不同棉/改性丙烯腈比例的混纺织物（co70mo30, co54mo46）的表面电荷特性。结果表明，改性丙烯腈含量更高的织物显示出更负的zeta电位，反映了其更高的疏水性。阳离子柔软剂REWOQUAT在这些织物上的吸附动力学同样可通过动态流动电流测量进行监测。吸附导致织物表面zeta电位正移，等电点升高。研究还发现，非离子表面活性剂PS 20能预先吸附在硅胶管表面，形成亲水层，从而有效抑制后续单克隆抗体mAb的吸附。将mAb与PS 20预先混合的方案在抑制吸附方面效果更佳。
3. 生物材料案例研究
以钴铬合金CoCr和纯钛cp Ti为代表，研究了其在生理相关溶液（PBS、人工唾液）中的界面特性。结果表明，人工唾液中的成分（如尿素）会特异性吸附，改变材料的等电点。溶菌酶（带正电）在CoCr（带负电）表面的吸附由静电吸引主导，吸附速度快（数秒内完成），且大部分吸附是可逆的。相比之下，牛血清白蛋白BSA（在实验pH下带负电）在cp Ti（带负电）表面的吸附则较慢（耗时数分钟），主要由疏水作用等非静电驱动力主导，吸附几乎不可逆。吸附BSA后，Ti表面的等电点移至与BSA溶液等电点相近的值，表明表面被BSA充分覆盖。而对于不锈钢316L，BSA吸附后的等电点变化提示其表面覆盖度仅为50%左右，表明材料表面性质影响蛋白吸附行为。
4. 医疗器械案例研究
针对医用硅胶管（如导尿管、药液输送管），研究评估了蛋白质（BSA, IgG）和非离子表面活性剂在其内表面的吸附。动态测量显示，蛋白质吸附会显著改变硅胶表面的zeta电位和等电点。非离子表面活性剂PS 20能通过疏水作用快速吸附在硅胶表面，使其亲水性增加，从而有效抑制后续mAb的吸附。通过比较不同处理方式（预涂PS 20 vs. mAb与PS 20混合），发现混合配方能最有效地减少mAb在硅胶管内的吸附损失，这对于保证生物制剂（如单抗药物）在输送过程中的浓度和稳定性具有重要意义。
结论与讨论
本研究通过一系列案例表明，动态流动电位测量技术是研究溶质在固体表面吸附动力学的强大工具。它能够实时、原位地提供吸附速率、机制、可逆性以及表面覆盖度等信息。该技术对样品形态适应性强，可用于扁平表面、纤维、颗粒堆积体等多种材料体系。研究揭示了静电相互作用、疏水作用等在不同体系吸附过程中的主导地位，并验证了通过添加辅助成分（如表面活性剂）来调控吸附行为的可行性。特别是在生物医学领域，该技术有助于评估和优化生物材料表面的抗蛋白吸附性能，对提高医疗器械的生物相容性和药物输送效率具有重要指导意义。尽管该方法在溶液电导率、吸附质浓度等方面存在一定局限性，但其提供的独特界面电荷动态信息，弥补了石英晶体微天平QCM-D和表面等离子共振SPR等技术在直接反映界面电性质方面的不足，为胶体与界面科学、材料科学及生物医学工程等领域的基础研究和应用开发提供了新的视角和方法学支持。
