人工趾甲與牙科材料的歷史

外科 游朝慶 醫師

在開始研究水晶指甲的成分及歷史時，因聽說人工指甲的科技多源自於牙醫的材料科技，故我先去查牙科補牙材料的歷史，其最早是使用金屬，如金牙、銀牙，接下來才是壓克力材料的年代，1937年，Walter Wright醫師首先臨床評估證實聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)可以安全地當作牙科義齒（假牙）基底的材料^1,2。接著這種壓克力樹脂acrylic resin迅速成為假牙材料的主流，這種樹脂當時都以粉­-溶劑的形式(powder-liquid form)來供應，粉劑包括Polymethyl methacrylate(PMMA，又叫壓克力、有機玻璃)及Benzoyl peroxide (BPO，起始劑，Initiator)，液體則包括Methyl methacrylate(MMA) monomer及Hydroquinone (抑制劑，inhibitor)，當兩者混和後可形成一種如凝膠狀的糊狀物dough，當加熱到100度時可產生聚化(polymerized)，形成固體，但MMA在未聚化前對人體皮膚是有毒的，也易引起過敏，故製作假牙的工廠都要注意小心通風。在1946年前，有高達95％的假牙都是由PMMA為材料在工廠所製作。直到二次世界大戰後，於1947年才發明了添加化學促進劑chemical activators，一種三級胺（如dimethyl-para-toluidine）到MMA 溶劑，其可分解benzoyl peroxide並釋放出自由基，促進聚合反應³，而能夠在室溫中快速凝固（又稱為 cold-cured, or chemical-cured）。從此之後牙醫師才有辦法利用這種修補填充物質於診間中來直接修補蛀牙。於是在1950年代末期才誕生了第一代的牙科填補材料：粉水系統、化學固化的壓克力樹脂（powder-liquid system chemical-cured or cold-cured acrylic resin），商品名為Sevitron（LD Caulk Company,. Milford, DE, USA) ⁴，但這產品仍有許多缺點，如不易和牙齒黏合。

      雖然現在很多人會抱怨MMA有毒，味道不好聞，會過敏，以及PMMA硬度不夠，會碎，會收縮，會變黃，黏性不強，聚合時會發熱等等，然而PMMA其實也是當今骨水泥（bone cement、骨粉）的主要成分，1951年Kiaer⁵和1953年Haboush⁶分別報導在股骨頭置換術中用PMMA骨水泥bone cement以粘合骨與假體，但PMMA骨水泥直到1960年被Charnley⁷在股骨頭置換術中成功應用後才引起廣泛的關注，並由此建立了PMMA骨水泥的基礎研究及臨床應用理論與實踐的基礎，但直到1969年才通過美國FDA核准上市。如今的骨水泥當然也做了許多改良，如降低聚合時的發熱，朝向複合材料增加強度等。最後就是用於脊椎的低溫骨水泥一次（1cc）就要3-4萬元。這雖然是題外話，但足以證明MMA這種水粉混和系統並沒有被淘汰，反而可以針對不同需求而做出配方的改良。
      回到正題，之後Bowen在1962年發明用Bis-GMA來取代MMA後，才成功商業化許多複合樹脂，如Concise (3M, St. Paul, MN)就含有70%的石英（silica，也就是砂子sand)。
      Bowen以Bis-GMA(bisphenol A-glycidyl methacrylate，雙酚A雙甲基丙烯酸縮水甘油酯) monomer為基質（液體），取代了MMA，因這種硬化物為一種三次元立體網狀結構，所以機械性質比鍊狀結構的PMMA優良數倍，並配合較純的石英填料(粉；取代PMMA)所成之複合樹脂來當牙科充填修復材料。Bowen博士的專利配方為將Bis-GMA先以TEGDMA(聚四乙二醇二甲基丙烯酸酯，Tetra ethylene glycol dimethacrylate，稀釋劑）稀釋，降低黏稠度，再加上可在室溫中促進硬化作用的三級胺（如N，N－二甲基對甲苯胺(N,N dimethyl-para-toluidine, DMT，活化劑、Activator)，這三種化學物為液體，另外含有起始劑（過氧化二苯甲醯，Benzoyl Peroxide, BPO）的石英粉為粉劑（約佔7成），混和後可在3分鐘左右硬化，也就是說，Bowen以BisGMA+TEGDMA取代原本有毒的MMA（如圖2），若再添加粘固劑如vinyl silane，則可進一步增加強度。這種樹脂由於有減少收縮，堅固又耐用的作用，大大改良了原有PMMA及silicate cement充填材料的缺點，開啟了複合樹脂Composite resins的時代，然而缺點是不好拋光、不易黏著。這時候Bowen還是用傳統的水粉系統來做固化反應⁸。

圖2. Bowen樹脂（本人所畫）
    直到1970年代後期，第二代牙科填補材料才出現，其為光固化複合樹脂(light-cured composite filled resin )，第一個紫外線固化樹脂（UV-light cured resin）商品名為Novalight (L.D. Caulk)，樹脂成分為urethane methacrylate⁹，接著沒多久ICI公司也發表了可見光固化PU樹脂visible-light-cured polyurethane resin, Fotofil¹³，其使用camphorquinone(CQ，樟腦醌)為光起始劑，但CQ的效果不好，一直到1990年代中期，才陸續發明許多替代QC的光起始劑，如Lucirin@ TPO、Ivocerin@，而照光系統也於1990年代後採用藍光LED為照明光源後，才解決光衰的問題。當代的牙科材料則是採用混和前兩種固化系統的雙重固化dual cure。
      在樹脂改良方面，1972年玻璃離子體黏合劑（glass ionomer cement）被Witson發明並開始被廣為利用，一直到80年代才發展出結合光固化功能的複合樹脂與不透光但可釋放氟離子的玻璃離子體材料的玻璃離子體復形材料(Resin-Modified Glass Ionomer Restorative Materials, RMGICs)。最初的RMGICs強度其實不夠，但經過不斷改良，於1990年代時，RMGICs已可用在臼齒的修補¹⁰。
      目前牙醫界幾乎已都使用這類光固化複合樹脂來修補各種的蛀牙。

1. Peyton FA. History of resins in dentistry. Dent Clin North Am 1975;19:211-22. 2. Phillips RW. Skinner's science of dental materials. 11 th ed. Philadelphia: W.B Saunders; 2005. p. 162-9. 3. R. Tandon, S. Gupta and S. K. Agarwal, “Denture Base Materials From Past to Future,” Indian Journal of Dental Sciences, Vol. 2, No. 2, 2010, pp. 33-39. 4. Craig RG. Denture materials and acrylic base materials. Curr Opin Dent. 1991;1(2):235-43. 5. Kiaer S. Hip arthroplasty with acrylic prosthesis, Acta Orth. 1952;22:126-40. 6. Haboush EJ. A new operation for arthroplasty of the hip based on biomechanics, photoelasticity, fast-setting dental acrylic,and other considerations, Bull Hosp Jt Dis. 1996;55(2):95-111 7. Charnley J. Anchorage of the femoral head prosthesis to the shaft of the femur, J Bone Joint Surg Br. 1960 Feb;42-B:28-30. 8. Bowen RL (1965). Silica-resin direct filling material and method of preparation, 1965, US Patent No. 3194783. 9. Rueggeberg FA, Giannini M, Arrais CAG Light curing in dentistry and clinical implications: a literature review. Braz Oral Res. 2017 Aug 28;31(suppl 1):e61. doi: 10.1590/1807-3107BOR-2017.vol31.0061. 10. Dental composite from Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Dental_composite