Er：YAG激光照射牙科全瓷材料后的 光透射率和溫度變化分析

楊 爍 贠照強(qiáng) 徐淑蘭 易枚枚 程鳴威 趙 磊 林國業(yè) 許 慶

（1.南方醫(yī)科大口腔醫(yī)院·廣東省口腔醫(yī)院， 廣州 510280）； 2. 南方醫(yī)科大學(xué)生物工程學(xué)院， 廣州 510000）

人工牙冠主要應(yīng)用于齲病、牙折斷或者是其他原因?qū)е卵荔w缺損的修復(fù)。近年來，口腔材料迅速發(fā)展，全瓷修復(fù)體在臨床中應(yīng)用廣泛。與金屬全冠和烤瓷熔附金屬冠相比，全瓷修復(fù)體具有良好的美學(xué)效果和生物相容性，對磁共振成像影響較小。除此之外，全瓷材料具有良好的透光性，可以形成多層次的立體視覺效果，美學(xué)效果接近天然牙。通過調(diào)節(jié)材料內(nèi)部微量元素和微晶體來表現(xiàn)不同的顏色特征和透光度，使全瓷修復(fù)體更加逼真。

全瓷材料具有脆性和低延展性，變形時(shí)不能有效地緩沖外界能量，在發(fā)生拉伸時(shí)可能被破壞，因此在臨床應(yīng)用中也表現(xiàn)出一定的破壞率。有研究表明全瓷修復(fù)體戴用2年后飾瓷崩裂率高達(dá)15%。繼發(fā)齲、基牙牙髓病變等都可能需要拆除患者修復(fù)體。常規(guī)辦法是使用金剛砂或者鎢鋼車針進(jìn)行磨除，結(jié)合破除工具破壞全瓷冠的完整性，使其得以拆除。但全瓷材料極其堅(jiān)硬穩(wěn)定，材料內(nèi)氧化鋯以四方晶相結(jié)構(gòu)存在，強(qiáng)度可達(dá)上千兆帕。破除牙冠不僅耗時(shí)，還會(huì)對牙齒硬組織造成損傷，甚至傷及牙髓以及周圍組織，治療體驗(yàn)很差。即便如此，全瓷修復(fù)體移除也是不完整的，不能夠被再次利用。

在臨床工作當(dāng)中，已經(jīng)開始采用激光來去除全瓷修復(fù)體或者全瓷正畸附件（見圖1）。相關(guān)研究表明利用激光可以有效地去除全瓷修復(fù)體。Jeffrey P和Cynthia K采 用Er：YAG激 光 來 移除全瓷修復(fù)體和貼面。Keller U認(rèn)為使用Er：YAG激光消融復(fù)合樹脂對口腔組織來說是安全的。和傳統(tǒng)方法相比，使用Er：YAG激光移除全瓷修復(fù)體效率更高、不會(huì)破壞修復(fù)體的完整性和傷及基牙周圍軟硬組織。合理使用激光輔助移除全瓷修復(fù)體會(huì)成為趨勢。

圖1 牙科激光精準(zhǔn)分離全瓷粘接復(fù)合體

激光輔助移除全瓷修復(fù)體的作用機(jī)理是激光能量穿過一定透光度的全瓷材料，使內(nèi)部粘接材料消融，但操作不當(dāng)會(huì)灼傷口腔內(nèi)健康軟硬組織。Zach和Cohen的研究證明了牙髓組織在溫度升高低于5.6℃時(shí)能保持生物活性，而高于16℃將導(dǎo)致牙髓組織全部失去活性。P.Rechmann認(rèn)為在配合有效降溫時(shí)，合理使用激光輔助移除全瓷修復(fù)體時(shí)，牙髓腔的溫度增高不高于5.5℃。本課題組研究發(fā)現(xiàn)激光去除全瓷修復(fù)體時(shí)會(huì)在局部區(qū)域形成瞬時(shí)高溫，余留粘接劑和牙體組織可能會(huì)出現(xiàn)碳化。若激光功率過大或者操作時(shí)間過長時(shí)會(huì)對周圍的組織，如牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)或者牙髓產(chǎn)生不可逆的損傷，這需要在臨床中重點(diǎn)注意，同時(shí)也是本課題組研究的主要方向。

本課題組前期實(shí)驗(yàn)證實(shí)使用Er：YAG激光可以完整有效地拆除全瓷修復(fù)體，同時(shí)激光工作時(shí)的熱量傳遞和分布可能會(huì)對鄰近結(jié)構(gòu)有影響。但是，在Er：YAG激光移除全瓷修復(fù)體時(shí)，光學(xué)特性的不同是否會(huì)對其溫度變化產(chǎn)生影響尚不確定，因此本文擬通過體外實(shí)驗(yàn)首次評估Er：YAG激光作用于不同光學(xué)特性的全瓷材料后其溫度變化的情況，分析其相互之間可能存在的關(guān)系，為臨床采用Er：YAG激光去除不同光學(xué)特性的全瓷修復(fù)體提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 全瓷材料及樣本制備

采用兩種不同的全瓷材料進(jìn)行分析，分別是Zenostar T （ Ivoclar Vivadent， Switzerland）和X-CERA TT （Xtcera，China）。采 用CAD/CAM加工系統(tǒng)從兩種全瓷材料坯體中切取大小為10 mm×10 mm，厚度分別為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm 4種規(guī)格的立方體，每種厚度制備3 塊樣品，共24塊。制備完成后，于蒸餾水中超聲清洗 5min，干燥后置于高溫爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，游標(biāo)卡尺測量樣品厚度，誤差控制在±0.02 mm。瓷塊的加工由南方醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院技工中心完 成。

1.2 光學(xué)性能測試

采用PR2650分光光度計(jì) （photo R esearch公司，美國），在紫外光區(qū)域（200～380 nm）、可見光區(qū)域（380～780 nm）及紅外光區(qū)域（780～2 500）3種不同波長情況下，分別測試不同厚度的兩種全瓷樣品的光透射率，每個(gè)試件測3次，取平均值。

1.3 溫度檢測

設(shè)定 Er：YAG 激光（Fidelis Plus III； Fotona， Slovenia）波長為2.94 μm，用15 Hz的重復(fù)頻率，脈寬為330 μs，將激光光斑直徑固定為1 mm。激光位于樣品正上方7 mm處，垂直于樣品表面進(jìn)行照射，在無水降溫情況下，在每個(gè)樣品的不同位置照射3次，一次照射持續(xù)時(shí)間為5 s。激光能量從50 mJ開始，以50 mJ的能量逐級增加，至250 mJ停止。將熱電偶溫度計(jì)探頭緊貼樣品的背面，測量激光穿透陶瓷后的溫度變化。熱電偶探頭的起始溫度（環(huán)境溫度）是18.6℃，完成一次測量后，待回到初始溫度后，進(jìn)行下一次溫度測量。所有的溫度測定均在室溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 全瓷樣品光透射率檢測

不同波長的標(biāo)準(zhǔn)光源下Zenostar T 和X-CERA TT全瓷樣品的光透射率檢測結(jié)果見表1，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。

圖2 Zenostar T和X-CERA TT的透光度比較（%）

表1 Zenostar T和X-CERA TT的透光度結(jié)果（%）

樣品厚度Zenostar T X-CERA TT紫外光 可見光 紅外光 紫外光 可見光 紅外光1.0 mm 1.4±0.45 1.5±0.44 1.8±0.39 1.4±0.38 1.5±0.51 5.0±0.84 1.5 mm 1.0±0.43 1.1±0.38 1.6±0.33 1.0±0.44 0.8±0.45 3.2±0.95 2.0 mm 0.7±0.37 1.0±0.31 1.4±0.28 0.6±0.22 0.5±0.45 2.4±0.80 2.5 mm 0.3±0.17 0.7±0.30 1.2±0.24 0.5±0.16 0.4±0.34 1.6±0.7

2.1.1

紫外光透射率 Zenostar T與 X-CERA TT樣品的紫外光透射率接近，透射范圍均在1.4% ～ 0.5%之間，在部分相同厚度時(shí)兩種樣品的紫外光透射率甚至一致?？傮w來說兩種全瓷樣品在紫外光下的透射率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（

P

＞0.05）。在紫外標(biāo)準(zhǔn)光源下，Zenostar T 和X-CERA TT樣品的光透射率與樣品的厚度呈反比關(guān)系：材料厚度越大，光透射率越低。

2.1.2

可見光透射率 自然光下，同等厚度的Zenostar T比 X-CERA TT樣品更白，阻射效果更好（圖3 ）。X-CERA TT與Zenostar T全瓷樣品的可見光透射率分別為1.6% ～ 0.9%和1.3% ～ 0.9%。前者要高于后者，但是兩者之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（

P

＞0.05）。 兩者的可見光透射率均隨著樣品厚度的增加而降低。

圖3 1 mm厚度的的樣品

2.1.3

紅外光透射率 X-CERA TT樣品的紅外光透射率要明顯高于Zenostar T （

P

＜0.05）。在1mm樣品厚度下，X-CERA TT樣品紅外光透射率為5.1%，Zenostar T樣品僅為1.8%。但是隨著瓷塊厚度的增加，X-CERA TT樣品的紅外光積分透射率下降速度更快。兩種樣品的紅外光透射率均隨著厚度的增加而下降。隨著材料厚度的增加，所有材料在任一光源下的積分透射率都有下降。在200 ～ 780 nm波長光源照射下，Zenostar T與X-CERA TT的光透射率相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（

P

＞0.05）；而隨著照射光源波長的增加，X-CERA TT樣品的光透射率逐漸增加，并高于Zenostar T樣品（

P

＜0.05）。

2.2 激光照射過程中的溫度變化

激光照射下樣品的溫度檢測結(jié)果見表2 ～ 3。 1 ～ 2.5 mm厚的Zenostar T全瓷樣品在50 ～ 250 mJ的激光能量照射下，樣品背面的溫度范圍為5.01℃ ～ 56.5℃；而X-CERA TT全瓷樣品背面的溫度范圍為3.67℃ ～ 34.4℃。激光照射不同厚度的全瓷樣品后，材料越厚，溫度變化越小；材料越薄，溫度變化越大。在相同激光能量照射下，相同厚度的Zenostar T樣品在測試中表現(xiàn)出來的溫度變化幅度大于X-CERA TT。

表2 不同能量激光作用Zenostar T全瓷樣品后溫度變化值（℃）

Zenostar T 50 mj 100 mJ 150 mJ 200 mJ 250 mJ 1.0 mm 14±1.43 21±1.33 32±0.93 58±1.24 55±1.50 1.5 mm 10±1.53 17±0.96 31±1.19 42±1.26 57±0.76 2.0 mm 9±0.56 16±0.43 26±0.26 29±0.39 40±0.16 2.5 mm 6±1.03 12±0.38 13±0.67 21±0.66 26±0.43

全瓷樣品在同一厚度下時(shí)，隨著激光照射能量的增加而測試溫度呈上升趨勢。當(dāng)樣品為1 mm厚度時(shí)，以50 mJ 和250 mJ能量照射Zenostar T樣品，測試溫度的差值為41.3℃；X-CERA TT全瓷樣品測試溫度的差值為25.8℃。隨著材料厚度的減小和激光照射能量的增加，Zenostar T和X-CERA TT均表現(xiàn)出溫度變化值的增加。

將不同厚度的 Zenostar T和X-CERA TT樣品在不同激光能量穿透后的溫度變化值通過重復(fù)測量方差分析：在1 ～ 1.5 mm樣品厚度區(qū)間內(nèi)，隨著Er：YAG激光照射能量增加后，Zenostar T樣品的溫度升高幅度均高于X-CERA TT樣品（

P

＜0.05）；樣品為2 ～ 2.5mm厚度時(shí)，Zenostar T和X-CERA TT樣品的溫度變化幅度之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（

P

＞0.05）。

表3 不同能量激光作用X-CERA TT全瓷樣品后溫度變化值（℃）

X-CERA TT 50 mJ 100 mJ 150 mJ 200 mJ 250 mJ 1.0 mm 8±2.36 15±1.63 21±1.31 27±1.06 33±1.36 1.5 mm 8±1.29 13±1.36 17±0.47 22±1.36 25±1.12 2.0 mm 7±0.43 13±0.37 15±0.76 20±0.96 25±0.67 2.5 mm 4±0.33 9±0.62 13±0.38 26±0.74 16±0.97

3 討論

全瓷材料能獲得良好的美學(xué)效果是由于其具有一定的透明度。光本質(zhì)是電磁波，由波長不同的紅外光、可見光和紫外光組成。全瓷材料的透明度可使照射光線部分反射、吸收和透射。全瓷材料的化學(xué)性質(zhì)、晶體數(shù)量、晶體直徑、氣孔率以及燒結(jié)密度決定了光在其內(nèi)部的反射、吸收、散射及透射系數(shù)。通過調(diào)節(jié)材料內(nèi)微量元素或氧化鋯的晶相，使其表現(xiàn)出不同的光學(xué)特性。材料的光透過率可通過分光光度法計(jì)算，通過測量不同波長光源穿過物體或反射的光譜功率而得出。

Er：YAG激光屬于中紅外線激光，波長為2.94 μm，在口腔臨床工作中有廣泛應(yīng)用，將其應(yīng)用于全瓷修復(fù)體的移除屬于新的應(yīng)用方向。本實(shí)驗(yàn)中Er：YAG激光照射頻率設(shè)定在15 Hz，脈寬為330 μs，使用激光手具將激光光斑直徑控制在1 mm。能量設(shè)定為50 mJ ～ 250 mJ，基本涵蓋常規(guī)的臨床操作設(shè)定，因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對臨床工作有實(shí)際參考價(jià)值。同時(shí)，溫度采用熱電偶溫度計(jì)進(jìn)行測量，該方式靈敏度高，測量準(zhǔn)確，在同類實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。

朗伯定律指出：在一定的波長下，光的吸收量與吸光材料的厚度成正比，透光率與材料本身特性以及厚度密切相關(guān)。樣品的厚度與透光率成指數(shù)關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)中隨著測試樣品厚度增加，兩種材料在任一光源下的透射率都存在著下降。不同厚度Zenostar T和X-CERA TT樣品的光透射率服從指數(shù)傳遞。檢測Zenostar T和X-CERA TT兩種樣品在不同波長光源下的光透射率，發(fā)現(xiàn)在紫外光和可見光源下兩者光透射率無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；但是在紅外光源下，X-CERA TT樣品的光透射率明顯高于Zenostar T，這與材料本身元素和晶相的構(gòu)成密切相關(guān)。

隨著材料厚度的增加，激光照射能量不變的情況下，測試樣品的溫度變化急劇減小。全瓷材料是熱的不良導(dǎo)體，但是不同全瓷材料在厚度和激光作用能量不同時(shí)，其表現(xiàn)仍有差異。在樣品厚度不超過1.5 mm時(shí)，Zenostar T被激光照射后的溫度變化程度要大于X-CERA TT樣品。而隨著材料厚度的持續(xù)增加，更多的激光能量傳遞不能形成更大的溫度變化，不同的全瓷材料的溫度變化幅度就不會(huì)形成有意義的差異。

但是，通過比對兩種樣品在不同厚度下的光透率和溫度變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間并不能形成有效對應(yīng)函數(shù)，Er：YAG激光穿透齒科全瓷材料后的溫度變化與材料光學(xué)特性不存在明顯相關(guān)性。同時(shí)通過對比激光照射同等厚度的不同全瓷樣品后發(fā)現(xiàn)，材料光學(xué)特性對臨床中激光穿透后溫度變化的影響較小。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于全瓷材料存在光透過性，使Er：YAG激光能夠透過全瓷材料作用于口腔粘接劑，因此，臨床中激光移除口腔全瓷修復(fù)體的技術(shù)基礎(chǔ)是存在的。Er：YAG激光穿透齒科全瓷材料后的溫度變化與材料光學(xué)特性之間不存在明顯相關(guān)性。