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Er :YAG激光对牙体硬组织切割效率及表面形态的影响
吴秀丽1, 余少华2, 叶丽君3, 温秀杰1, 刘鲁川1     
1. 400042 重庆,第三军医大学大坪医院野战外科研究所口腔科;
2. 400038 重庆,第三军医大学西南医院口腔科;
3. 441000 湖北 襄阳,襄阳市第一人民医院口腔科
[摘要] 目的 观察Er :YAG激光不同频率和照射时间对牙体硬组织切割效率和表面形态的影响。方法 80个牙釉质样本和80个牙本质样本分别按照射时间10 s和20 s,使用随机数字表法分为两组(n=40),每组再分为5个亚组(n=8),分别用频率为10、15、20、25、30 Hz Er :YAG激光对每个样本进行照射,体视显微镜测量牙釉质和牙本质凹坑直径、深度,扫描电镜观察牙釉质和牙本质表面形态。结果 Er :YAG激光频率10~20 Hz、照射时间10 s及20 s时,牙釉质和牙本质凹坑的直径、深度随频率增加和照射时间延长而增加(P < 0.05);Er :YAG激光频率25~30 Hz、照射时间10 s及20 s时,牙釉质和牙本质凹坑的直径、深度随频率增加和照射时间延长出现缓慢增加的趋势(P>0.05)。扫描电镜下观察,牙釉质和牙本质表面形态发生了一定的变化,Er :YAG激光频率为25~30 Hz时,牙釉质和牙本质表面出现裂纹、熔融等热损伤现象。结论 Er :YAG激光适宜的频率和照射时间不仅可以获得牙体硬组织良好的切割效率,而且不会引起牙体硬组织表面形态热损伤。
[关键词] Er :YAG激光     牙釉质     牙本质     直径,深度     热损伤    
Efficiency of Er :YAG laser for dental hard tissue ablation and its effect on dental surface morphology
WU Xiuli1 , YU Shaohua2 , YE Lijun3 , WEN Xiujie1 , LIU Luchuan1     
1. Department of Stomatology, Institute of Surgery Research, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing, 400042;
2. Department of Stomatology, Southwest Hospital, Third Military Medical University, Chongqing, 400038;
3. Department of Stomatology, the First People's Hospital of Xiangyang, Xiangyang, Hubei Province, 441000, China
Supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (81470032)
Corresponding author: LIU Luchuan, E-mail:LiuLuchuan1957@126.com
[Abstract] Objective To assess the efficiency of Er :YAG laser with different frequencies and irradiation time for ablation of dental hard tissues and its effect on dental surface morphology. Methods Eighty enamel samples and 80 dentin samples were randomly divided into 2 groups (n=40) with Er :YAG laser ablation for 10 s or 20 s, and each group was further divided into 5 subgroups (n=8) for ablation with Er :YAG laser at frequencies of 10, 15, 20, 25, or 30 Hz. After irradiation, the diameter and depth of enamel and dentin pits were observed under stereoscopic microscope, and the surface morphology of the enamel and dentin was observed by scanning electron microscopy (SEM). Results The diameter and depth of enamel and dentin pits following Er :YAG laser ablation were increased significantly as the laser frequency increased within the range of 10-20 Hz and the ablation time extended (P < 0.05). The diameter and depth of the pits were increased only slightly as the laser frequency increased to 25 and 30 Hz and the ablation time increased to 20 s (P>0.05). SEM showed alterations on the surface morphology of enamel and dentin after the ablation, and damages such as crack and melting occurred on the enamel and dentin surface after laser ablation at frequencies of 25 and 30 Hz. Conclusion Er :YAG laser with an appropriate frequency and ablation time is efficient for dental hard tissue ablation without causing thermal damage to the dental surface.
[Key words] Er :YAG laser     enamel     dentin     diameter, depth     thermal damage    

Er :YAG激光是一种红外线固体激光,其波长为2 940 nm,接近水吸收曲线和羟基磷灰石吸收峰值。牙釉质和牙本质主要成分为水和羟基磷灰石,故Er :YAG激光可作用于牙体硬组织。1997年美国食品药品管理局批准Er :YAG激光用于临床治疗牙体硬组织疾病[1]。Er :YAG激光照射牙体硬组织时,光能转变为热能,牙体硬组织表面的温度迅速升高,水分子蒸发,靶组织内部膨胀、发生微爆破,导致牙体组织被去除。这是在激光的光热效应原理下产生作用的。

Er :YAG激光切割牙体硬组织具有无噪声、无振动、无痛、舒适等优势,受到了越来越多的患者(特别是儿童患者)的认可和接受。有学者发现临床上使用Er :YAG激光去龋备洞的时间要远高于传统涡轮机[2],因此,如何提高Er :YAG激光的切割效率受到了大量的关注。研究表明[3-5],Er :YAG激光的功率、能量、频率、照射方式、照射距离及喷水量等参数会影响牙体硬组织的切割效率。以往的研究更多地关注于功率和能量,而频率和照射时间对牙体硬组织的切割效率及表面形态方面的研究鲜有报道。本实验通过比较Er :YAG激光不同频率和不同照射时间下牙体硬组织的切割效率及表面形态,获得Er :YAG激光切割牙体硬组织的最佳参数,为提高Er :YAG激光临床备洞的效率及安全性提供参考。

1 材料与方法 1.1 实验仪器设备

① Smart 2940-D Er :YAG激光治疗仪(DEKA, 意大利),功率0.5~8 W,脉冲10~30 Hz,最大波长2 940 nm,最大脉宽450 μm,光纤直径4 mm;② 高速涡轮机(NSK,日本);③ 体视显微镜(Olympus SZ61-SET,日本);④ 金刚砂片(Fasitong,中国浙江);⑤ 扫描电子显微镜SEM(SN3400,美国);⑥ 20倍放大镜(北京精细诚光学仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 样本制备

选取因正畸减数拔牙的离体前磨牙,要求牙冠完整、无龋坏、无氟斑牙、无釉质发育不全、非四环素牙、在20倍放大镜下无裂纹。将符合要求的离体牙表面软组织及牙石刮除干净,并在超声下清洗。使用高速涡轮机沿离体牙釉牙骨质界下方1 mm将牙根截去,然后用金刚砂片沿牙冠近远中向及颊舌向作“十”字形切开,磨除牙本质后制成4 mm× 4 mm×2.5 mm大小的牙釉质块;牙本质样本的制备方法为:自釉牙骨质界下1 mm处截去牙根后,用高速裂钻在牙冠咬合面中央窝处往下钻入0.5 mm,并向四周扩展,暴露全部牙本质,再用金刚砂片沿牙冠近远中及颊舌向作“十”字形切开,磨除牙釉质后制成4 mm×4 mm×2.5 mm大小的牙本质块。制备好的牙釉质及牙本质样本分别使用240、400、600、800、1 000目砂纸依次打磨,使其表面光滑无附着物,置于4 ℃生理盐水中保存,时间不超过1个月。

1.2.2 样本分组

将80个牙釉质样本和80个牙本质样本按不同照射时间(照射10 s及照射20 s,参数选择参考前期研究[6])使用随机数字表法分别分为两组,每组40个样本,然后根据Er :YAG激光不同频率10、15、20、25、30 Hz,再将每组随机分为5个亚组,每组8个样本。

1.2.3 Er :YAG激光照射

将牙釉质样本和牙本质样本用石蜡固定(照射面朝上),选择超短脉冲模式,Er :YAG激光能量为200 mJ,分别对每个样本进行照射,激光照射时将机头固定在三脚架上,使光纤与样本表面垂直并保持10 mm的照射距离,同时用5 mL/min水喷雾冷却。

1.2.4 牙釉质和牙本质表面凹坑直径、深度的测量

所有经过Er :YAG激光照射的牙釉质和牙本质样本分别在体视显微镜下放大100倍后使用配套软件测量凹坑直径;再用金刚砂片沿凹坑中央切开后,在放大100倍下用配套软件测量凹坑边缘到凹坑底部的距离,作为凹坑深度。

1.2.5 表面形态学观察

每组随机抽取2个样本在扫描电镜下进行表面形态学观察,超声清洗后置于浓度为2.5%戊二醛溶液中固定12 h,乙醇梯度脱水,室温下干燥,表面喷金镀膜,使用S-3400N电子扫描电镜进行表面形态学观察,在15 kV下操作,由3名观测者对样本表面形态进行结果分析,选择代表性的区域进行拍照。

1.3 统计学处理

采用SPSS 19.0统计软件,实验数据以x±s表示,进行单因素方差分析,组间两两比较用t检验。检验水准α=0.05。

2 结果 2.1 Er :YAG激光照射牙釉质表面凹坑直径、深度变化

随着Er :YAG激光频率增加和照射时间延长,牙釉质表面凹坑直径和深度呈增加趋势(表 1)。当激光频率相同时,随着照射时间延长,凹坑直径和深度均增加,10 s组与20 s组相比,差异有统计学意义(P < 0.05)。当照射时间相同时,随着激光频率增加,凹坑直径和深度有不同程度的增加。当频率为10、15、20 Hz时,各组内牙釉质凹坑直径和深度间差异均有统计学意义(P < 0.05);当频率为25、30 Hz时,各组内牙釉质直径和深度均差异无统计学意义(P>0.05)。

表 1 不同频率和照射时间各组牙釉质表面凹坑直径、深度比较(mm,x±s)
频率
(Hz)
照射10 s 照射20 s
直径 深度 直径 深度
10 0.29±0.07 0.26±0.08 0.45±0.05a 0.46±0.08b
15 0.46±0.05c 0.40±0.06c 0.58±0.07ac 0.78±0.08bc
20 0.60±0.06cd 0.76±0.08cd 0.70±0.08acd 0.98±0.10bcd
25 0.62±0.07 0.80±0.10 0.72±0.06a 1.02±0.12b
30 0.65±0.08 0.82±0.07 0.74±0.07a 1.08±0.08b
a:P < 0.05, 与照射10 s组凹坑直径比较;b:P < 0.05, 与照射10 s组凹坑深度比较; c:P < 0.05, 与10 Hz频率比较;d:P < 0.05, 与15 Hz频率比较

2.2 Er :YAG激光照射牙本质表面凹坑直径、深度变化

随着Er :YAG激光频率增加和照射时间延长,牙本质表面凹坑直径和深度均增加(表 2)。激光频率相同时,随着照射时间延长,凹坑直径和深度呈增加趋势,激光照射20 s后牙本质直径和深度均大于照射10 s组,差异有统计学意义(P < 0.05)。当照射时间相同时,随着激光频率增加,牙本质凹坑直径和深度增加,除频率30 Hz外,其余各组内牙本质凹坑直径和深度差异均有统计学意义(P < 0.05)。

表 2 不同频率和照射时间各组牙本质表面凹坑直径、深度比较(mm,x±s)
频率
(Hz)
照射10 s 照射20 s
直径 深度 直径 深度
10 0.36±0.05 0.52±0.06 0.52±0.06a 0.98±0.07b
15 0.40±0.07c 0.84±0.08c 0.58±0.08ac 1.32±0.12bc
20 0.46±0.05cd 1.28±0.12cd 0.62±0.10acd 1.58±0.08cd
25 0.52±0.08cde 1.36±0.10cde 0.80±0.08acde 1.66±0.09cde
30 0.56±0.06 1.38±0.11 0.81±0.09a 1.68±0.10
a:P < 0.05, 与照射10 s组凹坑直径比较;b:P < 0.05, 与照射10 s组凹坑深度比较;c:P < 0.05, 与10 Hz频率比较;d:P < 0.05, 与15 Hz频率比较;e:P < 0.05, 与20 Hz频率比较

2.3 Er :YAG激光照射牙釉质表面形态变化

图 1为Er :YAG激光不同频率和照射时间照射牙釉质,在扫描电镜下放大3 000倍后的表面形态,表现为牙釉质表面粗糙、凹凸不平,呈鱼鳞状。10~20 Hz不同频率Er :YAG激光照射牙釉质10 s后,釉质表面形态不规则,可见细长的釉柱突起。当照射时间增加到20 s时,釉质表面形态与照射10 s相比稍显平坦,仍可见釉柱突起。Er :YAG激光频率10~20 Hz、照射时间10 s和20 s时,牙釉质表面均未出现熔融及碳化等热损伤现象;25~30 Hz不同频率Er :YAG激光照射牙釉质10 s后,釉柱突起消失,可见明显裂纹及部分熔融现象,当照射时间增加到20 s时,裂纹增多,熔融现象更加明显。

图 1 不同频率和照射时间下Er :YAG激光照射牙釉质表面形态扫描电镜观察(SEM ×3 000)

2.4 Er :YAG激光照射牙本质表面形态变化

图 2为Er :YAG激光不同频率和照射时间照射牙本质,在扫描电镜下放大3 000倍后的表面形态,显示牙本质表面清洁、无玷污层、形态不规则、牙本质小管开放,类似于酸蚀样变化。10~15 Hz Er :YAG激光照射牙本质10、20 s后,牙本质表面粗糙不平、牙本质小管部分开放,管间牙本质与管周牙本质之间界限不清;随着频率增加和照射时间延长,激光频率为20 Hz、照射时间为10 s和20 s及激光频率为25 Hz、照射时间为10 s时,牙本质小管开放的数量逐渐增多,管间牙本质被大量消融、管周牙本质突出于牙本质表面,牙本质小管呈袖口状。Er :YAG激光频率为25 Hz、照射20 s及频率为30 Hz、照射10 s和20后牙本质表面均有裂纹、熔融等热损伤现象。

图 2 不同频率和照射时间下Er:YAG激光照射牙本质表面形态扫描电镜观察(SEM ×3 000)

3 讨论

龋病是发生在牙体硬组织的慢性非感染性疾病,是口腔常见病与多发病。目前,临床常使用高速涡轮机去龋备洞,高速涡轮机在高速旋转时所产生的噪声和震动以及深龋备洞时所需的局部麻醉增加了患者(尤其是儿童)的紧张和恐惧,而且由于器械的限制,常常会过多磨除周围健康牙体组织[7]。1960年,MIAMAN制造了世界上第一台红宝石激光,随后GOLDMAN提议将红宝石激光用于口腔临床去龋,自此激光逐渐被应用于口腔疾病的治疗[8]。Er :YAG激光备洞时无噪声、无振动,在去除深龋时也无需局部麻醉,能精确作用于龋坏牙体组织,从而最大限度地减少对周围健康牙体组织的切割,给患者提供舒适、安全的治疗。

本实验选择Er :YAG激光能量为200 mJ,是参照了DEKA公司Smart-2940D Er :YAG激光仪的使用说明书。Al-BATAYNEH等[9]也证实了Er :YAG激光200 mJ用于备洞时可以有效地切割牙体硬组织。在保证激光能量不变的前提下,通过改变激光频率和照射时间,对Er :YAG激光照射后牙釉质和牙本质表面凹坑的直径、深度进行测量,从而得出切割效率最高的参数。结果表明,随着激光频率增加和照射时间延长,牙釉质和牙本质凹坑直径、深度均增加。因为激光能量和频率两者的乘积等于激光功率,所以当能量不变时,增加频率必然会使功率增加,功率的增加使牙体硬组织表面吸收更多的能量,产生微爆破的数量增多,更多牙体组织被去除。本实验发现,激光频率大于20 Hz时,随着频率增加,凹坑直径和深度的增加趋势有所缓慢。这可能是因为频率增加,单位时间内发送的脉冲数量增多,激光照射时相邻两次脉冲之间没有充足的水分润湿,牙体硬组织表面温度迅速升高,导致Er :YAG激光产生的热效应强于机械切割效应,Er :YAG激光更多地作用于牙体硬组织表层而不能向深层组织消融,与RIZCALLA等[10]的研究结果是一致的。牙本质水分和有机物分别占22%和33%,而牙釉质中水分和有机物含量分别为12%和3%,Er :YAG激光参数相同时,激光更容易消融含水量和有机物丰富的牙本质,故同一频率和相同照射时间下,牙本质表面凹坑直径和深度大于牙釉质[11]

高速涡轮机备洞后,牙体硬组织表面常常被玷污层覆盖,玷污层的存在不仅会影响牙体组织与充填材料的粘接效果,而且还会导致牙体组织与充填材料之间发生微渗漏。有学者认为,和传统机械备洞相比,Er :YAG激光备洞可以有效去除玷污层,增加牙体组织与树脂类充填材料的粘接强度[12]。本实验中,牙釉质和牙本质经Er :YAG激光不同频率和照射时间照射后,表面形态发生了一定的变化。在扫描电镜下观察发现,牙釉质表面粗糙、不规则,呈鱼鳞状;牙本质表面清洁、无玷污层、牙本质小管开放,类似酸蚀样改变。这与大部分学者的研究结果是一致的[13-15]。本实验还发现,使用频率25~30 Hz、照射时间10 s Er :YAG激光照射后, 牙釉质和牙本质表面出现裂纹、熔融等热损伤现象;当照射时间增加到20 s时,牙釉质和牙本质表面的裂纹更深、熔融现象更加严重。CVIKL等[16]在实验中也观察到,较高能量的Er :YAG激光照射牙本质后,其表面出现裂纹及玻璃样变化。这是因为随着Er :YAG激光频率增加和照射时间延长,牙齿表面迅速升温,除了激光微爆破所需的能量外,还有一部分剩余的热量残留在牙体组织表面,使局部过热,出现熔融、碳化等热损伤现象,引起表面裂纹。这些裂纹以及粗糙的表面会成为细菌的定居场所,增加继发龋的风险[17]

本实验使用Er :YAG激光照射牙体硬组织时,以5 mL/min喷水冷却的方式,降低了Er :YAG激光对牙体硬组织表面和牙髓组织的热损伤[18]。Er :YAG激光对牙体硬组织的切割主要靠光致发热作用,所以在进行备洞时应密切关注牙髓腔温度的变化。根据YANEVA等[19]的研究,Er :YAG激光频率为50 Hz、照射牙本质壁40 s后,牙髓腔温度变化在安全阈值内,故本实验所选取的参数对牙髓组织是安全的。

综上所述,选择Er :YAG激光能量200 mJ、频率20 Hz、照射时间20 s进行离体牙窝洞预备,可获得牙体硬组织表面良好的切割效率,同时不会产生热损伤现象,为Er :YAG激光用于临床备洞提供参考。本实验选取的研究对象为健康离体牙,由于龋坏牙体硬组织所含水分大于正常牙体硬组织,所以临床上使用Er :YAG激光治疗深龋时应当选择适宜的参数,防止意外露髓。

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http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201701087
中国人民解放军总政治部、国家科技部及国家新闻出版署批准,
由第三军医大学主管、主办

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吴秀丽, 余少华, 叶丽君, 温秀杰, 刘鲁川.
WU Xiuli, YU Shaohua, YE Lijun, WEN Xiujie, LIU Luchuan.
Er :YAG激光对牙体硬组织切割效率及表面形态的影响
Efficiency of Er :YAG laser for dental hard tissue ablation and its effect on dental surface morphology
第三军医大学学报, 2017, 39(16): 1654-1658
Journal of Third Military Medical University, 2017, 39(16): 1654-1658
http://dx.doi.org/10.16016/j.1000-5404.201701087

文章历史

收稿: 2017-01-13
修回: 2017-04-06

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