調(diào)Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光作用于牙釉質(zhì)能量密度的研究

屠姍姍，王 禮

牙齒表面牙釉質(zhì)脫礦是很多口腔牙體疾病的始動因素，形成的白堊斑影響口腔健康和美觀，進(jìn)一步發(fā)展可導(dǎo)致齲壞等牙齒疾病[1]，已成為口腔臨床急需解決的難題。激光因其無噪音、治療時間短和無交叉感染風(fēng)險等優(yōu)點在口腔臨床中具有很好的應(yīng)用前景，而調(diào)Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光器可以降低牙釉質(zhì)及其周圍組織包括牙髓的熱沉積，進(jìn)一步提高了激光在口腔臨床應(yīng)用中的安全性，調(diào)Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光在牙齒表面處理方面的優(yōu)勢有待開發(fā)。對于激光防脫礦，首先應(yīng)摸索激光作用于牙釉質(zhì)的始動能量，其次是能量密度。

1 材料與方法

1.1 實驗方法選取正畸治療中拔除的前磨牙36個，牙體要求完整、無色斑、無齲壞、無充填，未經(jīng)修復(fù)和正畸治療。新鮮離體牙用牙周刮治器刮除表面結(jié)石、軟垢、組織殘留物，再用生理鹽水沖洗，依次用砂紙拋光至2 000目，置于生理鹽水中超聲震蕩清洗30 min，最后將牙組織樣品保存于0.9%的生理鹽水中，并在1個月之內(nèi)用于實驗，激光消融實驗前需將牙釉質(zhì)組織再一次清洗干凈并放置在空氣中干燥30 min。實驗完成后間斷使用高速渦輪機，預(yù)備牙冠近遠(yuǎn)中向和牙頸部離斷槽溝，過程中噴水冷卻，制成頰面牙釉質(zhì)組織樣本，用于場發(fā)射掃描電鏡觀察。

實驗裝置如圖1所示。樣品置于二維移動平臺上，調(diào)Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光器中輸出的激光束，經(jīng)全反射，再經(jīng)過聚焦鏡(f=50 mm)，聚焦垂直入射到樣品表面，樣品置于聚焦鏡焦點附近，通過改變牙釉質(zhì)樣品表面到焦點的距離來調(diào)節(jié)光斑大小，從而改變能量密度。實驗在室溫空氣中，未噴水噴氣冷卻情形下，光源采用波長為2.79 μm的Cr,Er:YSGG激光，設(shè)定脈沖能量為10 mJ，重復(fù)頻率為3 Hz，按不同光斑大小分5組，分別用10 mJ的單個脈沖能量輻照牙釉質(zhì)組織，用刀口法檢測光斑直徑。輻照后牙釉質(zhì)組織樣本在真空40 mA狀態(tài)下噴金作用2 min，最后在場發(fā)射掃描電鏡下觀察牙釉質(zhì)表面形貌，用能量彌散X射線譜對牙釉質(zhì)表面化學(xué)成分進(jìn)行測量，分析牙釉質(zhì)激光消融閾值以及激光處理牙釉質(zhì)最佳的能量密度區(qū)間。同時用高性能紅外熱像儀(德國Infratech，VH420)對牙釉質(zhì)組織溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，觀察牙釉質(zhì)及其周圍組織溫度是否明顯變化，掌握激光作用下溫度變化規(guī)律，為后期臨床應(yīng)用提供理論支撐。

圖1 設(shè)計的激光輻照實驗裝置示意圖

2 結(jié)果

2.1 測量激光脈寬采用Cr,Er:YSGG激光器對牙釉質(zhì)組織進(jìn)行激光輻照，設(shè)定脈沖能量為10 mJ，測量脈寬為110 ns，見圖2。納秒級的作用時間有效避免了激光脈沖向牙釉質(zhì)及周圍組織的熱傳導(dǎo)，從而有效減少牙釉質(zhì)組織的熱損傷。

圖2 捕捉激光脈寬

2.2 測量光斑直徑，電鏡觀察牙釉質(zhì)表面采用Cr,Er:YSGG激光器對牙釉質(zhì)組織進(jìn)行激光輻照，按不同光斑大小分5組，分別用10 mJ的脈沖輻照牙釉質(zhì)樣本組織，用刀口法檢測光斑直徑，G1～G55組光斑直徑分別為(260±12)、(350±4)、(435±15)、(510±11)、(565±34) μm，未處理組為對照組G0。隨后利用場發(fā)射掃描電鏡對激光處理組G1～G5及對照組G0的牙釉質(zhì)表面形貌分別進(jìn)行觀察：① 實驗中出現(xiàn)牙釉質(zhì)消融現(xiàn)象；② 牙釉質(zhì)表面形貌變化：光斑作用在牙釉質(zhì)樣本組織表面實際產(chǎn)生的消融區(qū)域，深度逐漸減小，原有釉柱等微結(jié)構(gòu)從破壞到清晰最后至模糊不清；③ 觀察到魚鱗狀表面形貌，類似國際公認(rèn)的牙釉質(zhì)酸蝕刻效果；④ 檢測到激光處理牙釉質(zhì)最佳能量密度組為G2～G4組。見圖3～8。

圖3 G1組激光輻照電鏡下牙釉質(zhì)釉柱結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖4 G2組激光輻照電鏡下牙釉質(zhì)表面形貌

圖5 G3組激光輻照電鏡下牙釉質(zhì)表面形貌

圖6 G4組激光輻照電鏡下牙釉質(zhì)表面形貌

圖7 G5組激光輻照電鏡下牙釉質(zhì)表面形貌

圖8 G0組激光輻照電鏡下牙釉質(zhì)表面形貌

2.3 觀察并計算消融閾值采用Cr,Er:YSGG激光器對牙釉質(zhì)組織進(jìn)行激光輻照，得到了G5組激光光斑直徑為(565±34)μm時作用牙釉質(zhì)時的能量密度(能量密度=能量/面積)為其消融閾值，并捕捉到消融閾值圖，計算其消融閾值為(4.03±0.47) J/cm2。見圖9。

2.4 觀察最佳能量密度區(qū)間和計算能量密度采用Cr,Er:YSGG激光器對5組牙釉質(zhì)組織進(jìn)行激光輻照，參數(shù)同前，計算能量密度分別為：(18.93±1.67)、(10±0.21)、(6.75±0.44)、(4.90±0.22)、(4.03±0.47) J/cm2。其中激光處理牙釉質(zhì)最佳的能量密度區(qū)間為[(4.90±0.22 )～(10±0.21)] J/cm2。

圖9 G5組激光輻照電鏡下牙釉質(zhì)表面形貌 ×500

2.5 激光作用后能譜圖利用能量彌散X射線譜對激光作用后牙釉質(zhì)表面化學(xué)成分進(jìn)行測量，分析激光作用后化學(xué)元素的變化，牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)成分為羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2，結(jié)果顯示激光作用后并無雜質(zhì)元素影響。見圖10。

圖10 激光作用后能譜圖

2.6 紅外熱像儀監(jiān)測并記錄牙釉質(zhì)表面溫度變化采用Cr,Er:YSGG激光器分別對5組牙釉質(zhì)組織表面進(jìn)行激光處理，同時用高性能紅外熱像儀對納秒脈沖激光作用過程中的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測。溫度升高是激光作用的基礎(chǔ)，合適且安全的溫度才能獲得最佳的實驗效果和最廣泛的臨床應(yīng)用。結(jié)果顯示單個脈沖檢測到很小溫度變化，溫度上升最低組約1 ℃左右，最高組大約2 ℃左右，說明單個脈沖的能量非常安全。見圖11。

3 討論

在激光醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，不同波長的激光已經(jīng)被研究或運用于口腔領(lǐng)域中，例如Ar離子激光(515 nm)、氦氖激光(633 nm)、Nd:YAG激光(1 064 nm)、Cr,Er:YSGG激光(2.79 μm)、Er:YAG激光(2.94 μm)和CO2激光(10.6 μm)等[2]，其中Er:YAG激光被證明對牙硬組織具有很好的處理效果[3]，而2.79 μm的Cr,Er:YSGG激光同時處于羥基磷灰石和水的吸收峰附近，能夠獲得比2.94 μm波長的Er:YAG激光更好的吸收效果。

圖11 G1～G5組單個脈沖末瞬間溫度變化曲線

激光在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用首先要求必須防止熱擴散對牙髓及周圍組織產(chǎn)生熱損傷，除波長外，每個脈沖的作用時間(即激光脈寬)是影響溫度升高最重要的激光參數(shù)。Ana et al[4]的研究表明，采用脈寬140 μs的Cr,Er:YSGG激光作用牙組織，在60 s內(nèi)可導(dǎo)致內(nèi)部牙髓溫度升高約4.5 ℃，接近牙髓的損傷閾值，需要減小激光脈寬以避免熱損傷。而納秒脈沖Nd：YAG激光器相對于長脈沖Nd：YAG激光器在牙髓保護(hù)方面有優(yōu)勢，納秒Nd：YAG輻照相關(guān)的溫度升高低于2.5 ℃，這說明其使用時沒有牙髓損傷[5]。隨著激光脈沖寬度的縮短和峰值功率(峰值功率=激光脈沖能量/脈寬)的提高，相比于微秒脈沖激光，納秒脈寬激光輻照可以明顯降低產(chǎn)熱對牙髓和周圍組織的熱損傷，本實驗采用脈寬為110 ns的Cr,Er:YSGG激光對牙釉質(zhì)輻照，脈寬短至納秒量級，單個脈沖溫度上升最高組才大約2 ℃左右，說明本實驗納秒脈寬有效減少牙釉質(zhì)樣本組織的熱損傷，為牙髓及周圍組織的安全性提供了保障。

牙釉質(zhì)組織激光輻照區(qū)域在場發(fā)射掃描電鏡下可觀察到伴有細(xì)小裂紋，此類微裂紋非常小，可能是水的釋放導(dǎo)致羥基磷灰石晶體收縮向純相羥基磷灰石轉(zhuǎn)變，其不足以影響牙齒結(jié)構(gòu)的完整性，并且光學(xué)上觀察到微裂紋的形成被認(rèn)為是確認(rèn)激光成功治療牙釉質(zhì)的手段[6]，激光作用區(qū)域表面裂縫與干燒蝕相關(guān)，而噴霧樣品的作用區(qū)域相對清潔而沒有熱損傷[7]。噴霧和水冷效應(yīng)是牙科治療安全有效的方式，盡管使用水可以控制溫度升高，但是直接噴射到輻照組織表面上的水可以導(dǎo)致更大范圍的牙釉質(zhì)脫礦和消融，Geraldo-Martins et al[8]得出結(jié)論，在Cr,Er:YSGG激光照射過程中水的存在將難以獲得更耐酸的牙釉質(zhì)表面，故課題組在本研究中沒有使用噴水?？諝饫鋮s亦是較為安全的方式[9]，本實驗后續(xù)可考慮優(yōu)化激光操作，摸索采用空氣冷卻下的方式來進(jìn)一步優(yōu)化激光處理后的表面。

牙釉質(zhì)組織激光輻照區(qū)域在場發(fā)射掃描電鏡下觀察到的魚鱗狀表面形貌，其激光消融牙釉質(zhì)機制是：在激光照射牙齒過程中，能量被牙齒中的水和羥基磷灰石吸收，導(dǎo)致局部溫度升高，局限組織內(nèi)的水在極端時間內(nèi)氣化，體積膨脹，產(chǎn)生微爆炸，達(dá)到去除牙體硬組織的效果。實驗有待進(jìn)一步對調(diào)Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光處理牙釉質(zhì)防脫礦進(jìn)行研究，如納秒脈沖激光結(jié)合氟化物處理牙釉質(zhì)，分析表面結(jié)構(gòu)、耐酸性和硬度變化等，另外希望后續(xù)對調(diào)Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光在牙釉質(zhì)粘結(jié)方面進(jìn)行研究，與酸蝕比較孔洞間隙、作用層的深度等，開發(fā)調(diào)Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光在口腔臨床應(yīng)用方面的優(yōu)勢。