氰基丙烯酸酯医用胶的改性研究

陈　文，梁向党，孙　赓，蔡宏飞，房卓群

氰基丙烯酸酯医用胶的改性研究

陈文，梁向党，孙赓，蔡宏飞，房卓群

目的：对氰基丙烯酸酯医用胶进行改性研究，并筛选出最佳改性材料及添加比例。方法：分别用羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）、多壁碳纳米管（MWCNTs）、丁腈橡胶、环氧树脂、纳米二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）6种材料对5%三氯生/氰基丙烯酸酯抗菌胶进行改性，并测试改性后抗菌胶的拉伸剪切强度（tensile shearing strength，TSS）、玻璃化转化温度（Tg）及黏度。结果：添加0.064%MWCNTs-COOH、6%纳米二氧化硅、4%丁腈橡胶以及6.4%环氧树脂都能使抗菌胶有较好的黏接强度改性效果，其拉伸剪切强度分别为（14.71±1.48）、（14.03±1.92）、（14.6±1.78）、（14.05± 1.46）MPa。添加8%纳米二氧化硅的韧性及黏性改性效果最好，抗菌胶的玻璃化转化温度及黏度分别为（1.1±0.24）℃、（15 536.68±28.4）cP（1 cP=1 mPa·s）。当纳米二氧化硅的添加比例为8%时，复合物极为黏稠。添加6%纳米二氧化硅后，抗菌胶拉伸剪切强度为（14.03±1.92）MPa，玻璃化转化温度为（3.6±0.68）℃，黏度为（5 278.87±31.68）cP。结论：6%纳米二氧化硅是最佳的改性材料，其改性表现最为均衡。

氰基丙烯酸酯；纳米二氧化硅；黏接强度；韧性；黏性

0　引言

1949年，德国首次人工合成氰基丙烯酸酯黏接剂（cyanoacrylate，CA），它在常温无溶剂条件下固化时间仅为几秒到几十秒，开创了瞬间黏接的新时代[1-4]。后续研究还发现氰基丙烯酸酯胶黏剂具有单组份、无溶剂、可溶解多种物质、无色透明、室温下快速固化且不需要固化设备、黏接强度高、能黏接多种物质、无毒等特点[5]。氰基丙烯酸酯胶黏剂是目前常用的医用快速胶黏剂，现已广泛应用于临床，可替代手术缝线进行止血、黏接、固定等，累计已有数以千万计的病例[5-9]。

但是，在临床应用中我们也发现氰基丙烯酸酯胶黏剂存在抗菌性差、固化后脆性较大、易于开裂等不足，使止血、固定等效果受到影响[10]。在研究中，我们通过对氰基丙烯酸酯胶黏剂进行改性以改善上述不足。前期工作中，我们研制出5%三氯生/氰基丙烯酸酯抗菌胶（以下简称“抗菌胶”）[11]，使氰基丙烯酸酯胶黏剂的抗菌性得到改善。在本实验中，我们分别使用6种改性材料对上述抗菌胶进行进一步改性研究，并通过测试其黏接强度、韧性及黏性筛选出最佳的改性材料及添加比例。

1　材料与方法

1.1实验材料

改性材料的入选标准：（1）无毒；（2）与抗菌胶不发生反应，不影响抗菌胶的稳定性；（3）能溶解或均匀分散在抗菌胶内。根据这个标准，我们选了6种改性材料：羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）、多壁碳纳米管（MWCNTs）、丁腈橡胶、环氧树脂、纳米二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。分别用这6种改性材料对氰基丙烯酸酯抗菌胶进行增强、增韧及增稠改性。

氰基丙烯酸酯（广州白云医用胶有限公司）；三氯生（北京桑普生物化学技术有限公司）；MWCNTs-COOH（深圳纳米港公司）：直径20～40nm，长度＜5μm，纯度＞98%；MWCNTs（深圳纳米港公司）：直径＜10nm，长度5～15 μm，纯度＞98%；丁腈橡胶（北京化工大学胶接材料与原位固化技术研究室）；E-51型环氧树脂（石家庄天亿石油化工有限公司）；瓦克H18疏水型纳米二氧化硅（上海贝青利公司）；PMMA（北京市金冠桥医疗科技有限公司）。

1.2制备

对选定的6种改性材料分别用以下方法将其与抗菌胶混合，制备成改性材料/抗菌胶复合物。

（1）将MWCNTs-COOH在真空干燥箱内100℃下干燥1 h后，用超声分散法将其分散在抗菌胶中，时间为1 h。当MWCNTs-COOH含量超过0.064%后，在抗菌胶内出现了分散困难、分散不充分的现象。故MWCNTs-COOH含量应为0.001%～0.064%。

（2）将MWCNTs在真空干燥箱内100℃下干燥1 h后，用超声分散法将MWCNTs分散在抗菌胶中，时间为1 h。当MWCNTs含量超过0.064%后，在抗菌胶内也出现了分散困难、分散不充分的现象。故MWCNTs含量也定为0.001%～0.064%。

（3）将丁腈橡胶放在真空干燥箱内100℃下干燥1 h后，加入抗菌胶内，先用搅拌棒搅拌10 min，再用超声分散法将丁腈橡胶彻底分散均匀，时间为1 h。丁腈橡胶含量确定为1%～16%。

（4）先将环氧树脂放在真空干燥箱内100℃下干燥1 h，再用搅拌法将其与抗菌胶在原位混合，时间为10 min。环氧树脂含量确定为0.2%～25.6%。

（5）将疏水型纳米二氧化硅放在真空干燥箱内100℃下干燥1h后，用真空搅拌法将其分散在抗菌胶中，时间为30 min。纳米二氧化硅含量确定为1%～8%。

（6）将PMMA放在真空干燥箱内80℃下干燥1h后，再加入抗菌胶内用搅拌棒搅拌10 min。PMMA含量范围确定为1%～24%。

1.3黏接强度测试

使用万能材料试验机（深圳新三思公司）检测改性抗菌胶的拉伸剪切强度（tensile shear strength，TSS）来评估其黏接强度，测试标准为GB/T 7124—2008。首先按照标准要求制作铝制胶接试板，制作试板前其表面用络酸氧化法处理。试板长度为100 mm，宽度为25 mm，厚度为1.5 mm，黏接面长度控制为（12.5± 0.25）mm，胶层厚度为0.2 mm，测试时夹持处距离黏接处（50±1）mm，室温下静置16～24 h后，用万能材料试验机检测拉伸剪切强度，试验机的载荷变化维持在9 MPa/min。

1.4韧性检测

通过测试改性抗菌胶的玻璃化转化温度（Tg）来评估其韧性。玻璃化转化温度是玻璃态物质在玻璃态和高弹态之间相互转化的温度。当低于玻璃化转化温度时，物质会失去韧性，变成易碎的玻璃态。因此，玻璃化转化温度较低的物质具有更好的韧性。实验使用差示扫描量热仪（德国TMA公司）测试复合物玻璃化转化温度，测试标准为GB/T 19466.2—2004。

将预聚胶黏剂灌注到封闭模具中，放到水槽内，在60℃条件下恒温水浴2～4 h，硬化后升温至100℃保持1～2 h，撤除夹板得到测试样品。用非等温差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）测得样品的Tg，用纯铟和锌对DSC进行标准化校正之后，取一定量的胶黏剂固化物（5～8mg）置于托盘中，在氮气保护下以20℃/min的升温速率检测动态热流量，温度范围-30～100℃。

1.5黏性测试

黏性是液体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质。黏性的大小用黏度表示，它是用来表征与液体性质相关的阻力因子。实验使用旋转黏度仪（美国Brook-field公司）进行测试，测试标准为GB/T10247—1988。采用转筒法测定抗菌胶的动力黏度：ηt，它是指二液体层相距1 cm、其面积各为1 cm2、相对移动速度为1 cm/s时所产生的阻力，单位为厘泊（cP）（1 cP=1mPa·s）。

1.6统计学处理

2　结果

2.1黏接强度

添加各类改性材料进行黏接强度改性的最佳比例以及相应的拉伸剪切强度见表1。结果显示，添加0.064%MWCNTs-COOH的抗菌胶黏接强度改性为最佳，其拉伸剪切强度为（14.71±1.48）MPa。同时，结果还显示添加PMMA后，抗菌胶黏接强度没有改善。

以纳米二氧化硅为例，添加不同量后测得改性抗菌胶的黏接强度结果如图1所示。随着纳米二氧化硅添加量的增大，抗菌胶的拉伸剪切强度随之升高，当纳米二氧化硅添加量为6%时，拉伸剪切强度达到最大，为（14.03±1.92）MPa。之后，当纳米二氧化硅添加量继续增大时，拉伸剪切强度开始下降。而当添加量超过8%之后，复合物极其黏稠，用真空搅拌法难以将纳米二氧化硅分散完全。

表1　添加改性材料的最佳比例及其拉伸剪切强度

图1　纳米二氧化硅含量与抗菌胶拉伸剪切强度关系曲线图

2.2韧性

添加各类改性材料进行韧性改性的最佳比例以及相应的玻璃化转化温度见表2。添加8%纳米二氧化硅的抗菌胶韧性改性为最佳，其玻璃化转化温度为（1.1±0.24）℃。同时，结果还显示添加MWCNTs及环氧树脂后，抗菌胶韧性没有改善。

表2　添加改性材料的最佳比例及其玻璃化转化温度

以纳米二氧化硅为例，添加不同量后测得改性抗菌胶的韧性结果如图2所示。随着纳米二氧化硅添加量增大，抗菌胶的玻璃化转化温度呈下降趋势。当纳米二氧化硅添加量为8%时，玻璃化转化温度最低，为（1.1±0.24）℃。

2.3黏性

图2　纳米二氧化硅含量与抗菌胶玻璃化转化温度关系曲线图

添加各类改性材料进行黏性改性的最佳比例以及测得的相应黏度见表3。添加8%纳米二氧化硅的抗菌胶黏性改性为最佳，其黏度为（15 536.68± 28.4）cP。

表3　添加改性材料的最佳比例及其黏度

以纳米二氧化硅为例，添加不同量后测得改性抗菌胶的黏度结果如图3所示。随着纳米二氧化硅添加量的增多，抗菌胶的黏度先缓慢上升。当纳米二氧化硅添加量超过4%时，抗菌胶的黏度显著提高。但是，当添加量超过8%之后，复合物极其黏稠，甚至无法用旋转法测试黏度。

图3　纳米二氧化硅含量与抗菌胶黏度关系曲线图

3　讨论

总结上述测试结果，我们可以看到0.064% MWCNTs-COOH、6%纳米二氧化硅、4%丁腈橡胶以及6.4%环氧树脂都有较好的黏接强度改性效果；8%纳米二氧化硅的韧性及黏性改性效果最好。但是，当纳米二氧化硅的添加比例为8%时，复合物极为黏稠。综合3项测试结果，我们认为6%纳米二氧化硅改性效果最佳且表现均衡，其拉伸剪切强度为（14.03±1.92）MPa，玻璃化转化温度为（3.6±0.68）℃，黏度为（5 278.87±31.68）cP。

氰基丙烯酸酯胶黏剂是目前临床广泛使用的医用胶之一，具有单组分、无溶剂、可溶解多种物质等特性，这些特性使通过在其中加入其他组分对其进行改性成为可能[5]。特别是近些年来，使用高分子材料及新型纳米材料成为这些改性研究的热门。Jin Ik Lim等学者在氰基丙烯酸酯中加入聚L-丙交酯-coε-己内酯及聚左旋多巴，发现其黏接强度和韧性得到改善[12]。Parastoo等学者报道在氰基丙烯酸酯中加入纳米结构的丙烯酸多面体齐聚倍半硅氧烷（APOSS）可以改善它的缺点[13]。

纳米材料，其结构单元的尺寸介于1～100 nm之间。由于该尺度已接近光的波长，而且纳米材料具有大表面的特殊效应，其所表现的熔点、磁性、光学、导热、导电等特性往往不同于该物质在整体状态时的表现。纳米填充改性聚合物材料是纳米材料应用的一个重要方面。纳米无机材料由于粒径小、比表面积大，与聚合物材料复合后，可与基体材料间产生很强的结合力，不仅能提高材料的刚性和硬度，还可起到增强、增韧效果[14-15]。一般研究认为，纳米材料对胶黏剂的改性机理是：当它黏接的材料受到外界作用力时，由于纳米粒子的存在而产生集中效应，与基体之间易产生微裂纹（银纹），同时粒子之间的基体也产生塑性变形，将外界作用力传递到无机粒子并被吸收，并且纳米粒子可以使聚合物胶黏剂的裂纹扩展受阻，最终终止裂纹，不致发展成破坏性裂纹。纳米粒子一般本身模量大，它的添入也使胶黏剂模量提高，从而达到提高黏接强度、增强、增韧的目的[16]。

综上所述，我们认为6%纳米二氧化硅是最佳的改性材料，其改性表现最为均衡。

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（收稿：2014-12-24）

英国《科学文摘》（SA）收录本刊2014年发表66篇论文索引（一）

（索引项目：题目，作者姓名，卷号，期号，页码，月份，年份）

编者按：自《医疗卫生装备》杂志成为英国《科学文摘》数据库收录期刊以来，我们在本刊2014年2～5期相继刊发了该库选收的论文题录，受到广大读作者的欢迎。近期，我们又将该库选收我刊2014年度发表的66篇论文进行系统整理，现分期刊发，并向入选论文作者表示祝贺！

1.Implementation of vital signs monitoring via life-rescue bio-radar based on PDA

AN Qiang,LYU Hao,LI Zhao,JIAO Teng,JING Xi-jing,WANG Jian-qi(v 35,n 7,p 1-4,July,2014)

2.Reasonable allocation of pressure steam sterilizer monitor－ing products

CAO Qiu-lian,WANG Xian-quan(v 35,n 7,p 95-96,123,July 2014)

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）

3.Radiation dose for head and neck CTA examination with 128-slice CT under auto mA mode

CHEN Wei-ping,PENG Jun-ling(v 35,n 7,p 83-84,87,July, 2014)

4.RAMDISK-based enhancement of file access in electronic medical record system

CHEN Xin,WANG Hao-xiong,WU Ye-yi,ZHUANG Pei-feng(v 35,n 7,p 63-64,68,July,2014)

5.Radiation dose monitoring and voice alarm device in nuclear medicine site

CHEN Yu,XIANG Yu(v 35,n 7,p 34-36,July,2014)

由于在此系统中，引入了电压负反馈，而负反馈电路要求反馈到输入端的输出信号与原输入信号同相。但因为电路中零极点的存在，不可避免地引入了相移，当相移达到180。时，会使系统产生自激振荡，系统变得不稳定。为了确定系统的稳定性，需要对其进行Bode图的分析。保证系统具有可靠的稳定性下，需要使Bode图中的幅值裕度大于10 dB，相位裕度大于45 deg。为了获得足够的系统稳定性，使系统运行稳定，还须满足下述条件[12-16]：

6.Design and clinical application of high-flow oxygen inhalator

DING Jian-zhang(v 35,n 7,p 45-46,136,July,2014)

7.Research on optimal control of automatic mechanical ventilation

DUAN Hui-min,CHEN Ai-hua,ZHAN Ning-bo(v 35,n 7,p 18-20,36,July,2014)

8.Design and implementation of military medical support personnel management information system based on three-layer structure

FENG Shuai(v 35,n 7,p 60-62,July,2014)

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）

9.Digital recording and processing of clinical speech audiometry material

JI Fei,LIU Yan,CAI Xiao-bing,XI Xin,PU Wei(v 35,n 7,p 42-44,July,2014)

10.Development of intravenous infusion LED needle

LI Yan-ju,LI Ya-ping,ZHANG Jing(v 35,n 7,p 40-41,July, 2014)

11.Development of field electromobile for emergency rescue

LIAO Dong-chu,CHEN Yong-an,ZHANG De-dong,GONG Jian-jun(v 35,n 7,p 50-51,79,July,2014)

12.Study on regional integrated medical equipment maintenance mode

LIU Peng,XIANG Yue-ying,YANG Ming,NIU Guo-yu(v 35,n 7, p 108-110,July,2014)

13.Simulation technology in design of micro-flow channel of genechips hybridization instrument

LU Ming-li,CHEN Wei,CHENG Peng(v 35,n 7,p 24-27,33, July,2014)

14.Settlement bacteria monitoring and analysis in cell preparation lab

MA Xue-bin,MA Cong,QIU Wei,YUAN Hong-xia(v 35,n 7,p 21-23,30,July,2014)

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）

15.Requirement analysis of second-class hospital medical equipment in peacekeeping action

MA Yi-hong,YU Min,LI Peng(v 35,n 7,p 121-123,July,2014)

16.Application of hospitalized medical insurance patient preprocessing system in military hospital

QIAO Ling-mei,SONG Wen-yan,TONG Xue-zhong,XU Hong(v 35,n 7,p 129-131,July,2014)

17.Application of 4D-CT technique in radiotherapy

SHI Fei-yue,CHEN Fei,LIN Qiang,CHEN Cheng,RU Zhengxing,HAN Jing-jing,CHEN Jin-fei(v 35,n 7,p 114-115,July,2014)

18.Design and implementation of mobile nursing information system in hospital

SU Yu-cheng,JIANG Kun,ZHANG Ya-na,HUANG Lu-guang, YU Xun(v 35,n 7,p 52-54,57,July,2014)

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）

19.Application of multi-function digital gastrointestinal machine in auxiliary diagnosis of female infertility

SUN Peng,SHI Hui-ping,ZHOU Hua,YAN Xiao-bin,ZHANG Yue-lian(v 35,n 7,p 65-68,July,2014)

20.Design of smart phone APP assisting digital outpatient system

TONG Shi-chao,ZHANG Hong,ZHAI Ming-ming,SU Yan-ping, GUO Wei,LEI Tao,LI Fei-jiang(v 35,n 7,p 58-59,71,July,2014)

21.Post-digitalization processing system for medical graphic materials in field operation

WANG Chen-hai,LAN Bin,NI Ping,CHEN Zi-qian(v 35,n 7,p 5-8,17,July,2014)

22.Survey and countermeasures of information security of HIS in 37 hospitals

WANG Li-na,ZHANG Dong-jun,ZHANG Wu-guang(v 35,n 7, p 111-113,152,July,2014)

（待续）

Modification study of cyanoacrylate medical adhesive

CHEN Wen1,LIANG Xiang-dang1,SUN Geng2,CAI Hong-fei3,FANG Zhuo-qun1
(1.Department of Orthopedics,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China;2.Department of Orthopedics, the 252nd Hospital of the PLA,Baoding 071000,Hebei Province,China;3.Department of Thoracic Surgery, the First Hospital of Jilin University,Changchun 130021,China)

Objective To perform modification study of cyanoacrylate(CA)medical adhesive and to select the optimal modifying material and the best ratio.Methods Carboxylic multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs-COOH),multi-walled carbon nanotubes(MWCNTs),hydrophobic nano-silica,nitrile rubber,epoxy resin and polymethyl methacrylate(PMMA) were used to modify 5%triclosan/cyanoacrylate antimicrobial adhesive respectively.The bond strength,toughness and viscosity of the modified adhesive were examined in different concentrations.Results 0.064%MWCNTs-COOH,6%nanosilica,4%nitrile rubber and 6.4%epoxy resin all had good effects in strength modification.The bond strength were (14.71±1.48)MPa,(14.03±1.92)MPa,(14.6±1.78)MPa and(14.05±1.46)MPa respectively.8%nano-silica had the lowest Tg of(1.1±0.24)℃and the strongest viscosity of(15 536.68±28.4)cP.When the nano-silica concentration was 8%,the compound was very viscous and sticky.When the antimicrobial adhesive modified with 6%nano-silica,the bond strength was(14.03±1.92)MPa,the Tg was(3.6±0.68)℃,and the viscosity was(5 278.87±31.68)cP.Conclusion s6%nano-silica is the best modifying material,and has the optimal effect of modification.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：13-16]

cyanoacrylate;nano-silica;bond strength;toughness;viscosity

[中国图书资料分类号]R318；TQ331.4A

1003-8868（2015）05-0013-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.013

军事医学创新专项计划重点项目（13CXZ032）；科技部国际合作专项课题（2014DFA31230）

陈文（1985—），主要从事骨科创伤修复方面的研究工作，E-mail:vaney88@126.com。

100853北京，解放军总医院骨科（陈文，梁向党，房卓群）；071000河北保定，解放军252医院骨科（孙赓）；130021长春，吉林大学第一医院胸外科（蔡宏飞）