不同频次的铒激光照射对牙釉质表面影响的实验研究*

西安交通大学口腔医院(西安710004)　姜荟荟　种　燕　张　月　黄瑞哲



不同频次的铒激光照射对牙釉质表面影响的实验研究*

西安交通大学口腔医院(西安710004)姜荟荟种燕△张月黄瑞哲▲

摘要目的：研究不同照射频次的铒激光对牙釉质表面的影响，为铒激光防龋提供理论依据。方法：采用自身对照的方法，分别用1 Hz，20 J/cm2的铒激光照射釉质表面1次、3次，扫描电镜下观察釉质表面形态结构变化，能谱分析仪记录釉质内钙磷原子含量变化。结果：1 Hz，20 J/cm2 铒激光照射1次后釉质表面釉柱的结构清晰可见，柱间质发生构象改变。照射3次后釉质表面结构粗糙不规则，高低不平，呈坑状凹陷，形成大量不规则片状及层状晶体。两组钙磷原子含量较照射前均有所减少，但两组间差异无统计学意义。结论：不同照射频次的铒激光对牙釉质的结构及成分有不同程度的影响。1 Hz，20 J/cm2 铒激光照射1次对牙釉质的结构及成分影响小。

主题词牙釉质激光表面特性

由于龋病患病率高，且治疗需要花费大量资源，再加上目前对龋病预防还没有特异性方法，因此探索新的防龋途径和机制，有着重要的理论和实际价值。早在20世纪60年代就引入了激光防龋，然而传统的CO2激光、Nd:YAG激光其波长远小于水和羟基磷灰石的吸收峰值，在应用过程中其能量大部分转化为热能，易对组织产生热损伤，其应用有一定的局限性。而铒激光是一种波长为2.94 μm的固体脉冲激光，其波长恰好位于水的最高吸收峰值，能有效地降低热损伤，这是传统的激光所不具备的。然而激光能量增加会使局部产热过高，导致釉质表面熔融以及弹坑状和裂隙的产生，表面粗糙度增加，使细菌滋生从而增加龋病的发生；还可能会影响深处的牙髓组织，使其发生热变性，造成永久性的损害。激光能量大小与激光的波长、频率、脉宽、能量密度等参数有关。要达到有效地预防龋病还必须严格控制激光的入射参数，使其对深部的牙本质及牙髓不会造成损害，本文研究不同参数与釉质的作用机理，为龋病的预防提供理论依据。

材料与方法

1样品的选择与制备收集标本：收集因正畸拔除的新鲜完好的人前磨牙10颗，拔除后立即置于10%的甲醛溶液中，室温下保存。实验前1周取出牙齿，清除牙齿表面的牙石、色素及软组织，截去牙根，用金刚砂轮在牙齿颊面磨出约4 mm×4 mm大小的平面，600目碳化硅砂纸磨平。用金刚砂盘切除牙体其余部分，制成4 mm×4 mm×2 mm大小的长方体形牙釉质块，将其分为颊、舌两侧。每个标本相同大小的预留面上放置可移动塑料胶带，然后将整个标本涂指甲油使其完全封闭，待指甲油完全干燥，去掉塑料胶带，暴露的小窗作为实验用牙面，待干燥后置于去离子水中保存。

2激光照射釉质标本分为两组(A组5颗，B组5颗)，A组用频率为1 Hz能量密度为20 J/cm2的铒激光照射釉质1次，B组用频率为1 Hz能量密度为20 J/cm2的铒激光照射釉质3次，使激光光斑覆盖在牙釉质面的窗口，两组样本分别以自身未照射区域作为空白对照。选用扫描电镜在 20 kV 下观察牙釉质表面形态结构，并记录钙磷的原子含量。

3统计学方法采用OriginPro8软件对能谱仪检测出的钙磷含量进行积分分析，计算重量百分比，SPSS17.0系统对原子含量进行计算，采用四格表法进行统计学分析，P<0.05为差异有统计学意义。

结果

1扫描电镜图正常牙釉质在高倍电镜下观察时(500～5000倍)可见由大小相同的圆形、六角形或多角形陷窝排列成整齐峰窝状结构，多数陷窝内有内容物。本实验中不同条件下釉质表面形态结构的变化见图1。激光照射1次后釉质表面结构清晰可见，可见明显的釉柱形态，柱间质呈熔融状态，封闭釉柱间隙。激光照射3次后釉质表面有许多大小不同、圆形或多角形陷窝 ，高低不平、模糊不清，还可见少数不规则的、散在的孔隙。

2数据分析实验数据采用Origin软件绘制钙、磷含量的能谱图，见图2。用积分方法计算钙和磷的重量百分比均值，结果见附表。激光照射前后钙磷含量均有所下降，两组的钙磷比分别为A 组是1.755和1.86；B组是1.8768和1.827。可见激光照射后A组有所增加，B组相对有所降低，用四格表法对两组间钙磷含量及比值进行分析，结果发现差异无统计学意义。也就是说釉质抗酸性不一定是由于钙磷比的变化造成的，可能是由于激光照射后矿物质仍旧沉积在牙面表层使脱矿减少所致。

附表　钙磷原子含量的重量百分比

元素 A组照射前照射后 B组照射前照射后P 28.3824.57 25.2523.34Ca 49.5145.85 47.3942.65总量 100.00100.00 100.00100.00

讨论

正常釉质主要由釉柱和釉质间质组成，成熟的釉质主要由无机成分(96% ) 、水分( 4%) 组成， 而其中的有机质含量较少，釉质间质的主要成分为蛋白质。激光照射牙齿后产生热效应，从而影响牙髓的状态和牙齿釉质的结构。许多学者认为激光产热分3个阶段：100～650 ℃，650～1100℃，>1100℃。第一阶段形成的磷灰石被认为降低了釉质的可溶性，可能是形成了焦磷酸盐降低了脱矿；第二阶段矿物质的重结晶以及晶体的形成，伴有溶解性低的β-TCP(β羟基磷灰石)的生成；第三阶段β-TCP 转变成α-TCP(α羟基磷灰石)，α-TCP为一种不稳定的状态成分。

本研究采用1 Hz，20 J/cm2铒激光照射牙面1次时，由于能量密度比较低，产生的热效应处于第一个阶段。电镜下可见釉柱形态清晰，头尾相接，柱间质首先发生构象的改变。这主要是由于铒激光的波长与水的吸收峰值接近，激光的能量大部分被水吸收，水吸收能量后汽化，在局部形成微爆炸，并散发热量产生高压，对周围组织产生影响，尤其是对有机物，由于有机物的分解温度比较低，大约在350℃左右蛋白质即会发生分解变性，而釉质中的有机物大部分存在于釉柱间质，因此柱间质发生分解、熔融，封闭晶柱间间隙，堵塞了釉质内的传输通道，阻挡细菌的侵入，降低了釉质的表层下脱[1]；而采用1Hz，20 J/cm2铒激光照射3次时，照射频率的增加，能量增加，表面变得更粗糙、不规则。釉质表面温度升高，此过程不仅局限于有机物成分，而且对釉质晶体也产生影响，釉质表面呈现高低不平，凹坑状结构。这可能是由于釉质内水的分布不均匀，激光能量增加，釉质表面产生的微爆炸以及气流反冲压等增加，使牙体表面形态变的粗糙、不规则[2]，增加了与酸的接触面积，容易导致表层下脱矿的增加。

本实验的钙磷含量下降是由于热效应处于第一阶段，当温度处于200～400 ℃时CO2的吸收逐渐增加，导致碳的含量增加，由此钙磷的相对含量减少。350 ℃左右蛋白质分解，蛋白质的分解过程可以阻断钙的扩散通路，减少钙的丢失，当温度超过350 ℃随着有机物的分解这种阻断效应下降。正常釉质内钙磷比例接近羟基磷灰石的水平约1.67，本实验结果高于正常值的原因可能是由于同一釉质不同部位以及不同釉质间本身钙磷含量的差异比较大、样本量较少所致。研究表明，铒激光照射后钙磷含量的增加在统计学上没有显著性差异，激光对釉质的防龋作用是由于矿物质仍旧沉积在牙面表层脱矿减少所致[3-4]。王冠宇等[5]认为激光处理后的牙齿表面沉积的再矿化结晶较少，矿物质损伤少，脱矿程度轻，另外，Correa-Afonso等[6]认为釉质表层脱矿降低是由于有机基质的改变。石茂渝认为激光照射后釉质抗酸性增强，但耐磨性减弱[7]。

由以上分析可知，利用激光防龋，重点在于控制激光的参数，使其达到最佳的防龋效果，并减少对牙体组织的热损伤。要达到上述目的，首先要减少热效应的产生，降低釉质表面的脱矿，降低釉质的溶解性，抵抗酸的侵蚀。Díaz等[8]指出激光照射后会增加对钙的吸收，使钙磷比例升高，并且激光照射使釉质表面熔融并封闭孔隙，使渗透减少降低脱矿，增强抗酸性。

由我们的实验可以看到：低能量的激光照射后，釉柱形态清晰，柱间质首先发生构象的改变。这主要是由于铒激光的波长与水的吸收峰值接近，激光的能量大部分被水吸收，水吸收能量后汽化，在局部形成微爆炸，并散发热量产生高压，对周围组织产生影响，尤其对有机物，而釉质中的有机物大部分存在釉柱间质，因此柱间质发生分解、熔融，封闭晶柱间间隙，阻挡细菌的侵入，另一方面阻断了钙离子的扩散通路，降低了釉质的表层下脱矿；能量增加，使釉柱及釉质间质均发生分解，釉质晶体结构发生改变，表面变得更粗糙、不规则。这可能是由于釉质内水的分布不均匀，激光能量增加，釉质表面产生的微爆炸以及气流反冲压等增加，使牙体表面形态变的粗糙、不规则，而且当温度超过400oC有机物质完全分解，钙离子的阻断效应受到影响，表层下脱矿增加，容易导致龋病的发生[9]。

结论：本文采用不同照射频次的铒激光照射牙釉质，研究了激光处理对釉质结构和成分的影响规律。发现照射次数少，激光在牙釉质中沉积的能量适当，在不改变或较少改变牙釉质有机成分的情况下，增加牙釉质的钙磷比，减小牙釉质病变中酸蚀过程的速率，增强牙釉质的再矿化能力及抗酸性。照射次数多，激光在牙釉质中沉积的能量增多，会改变牙釉质的有机成分，增加牙釉质病变中酸蚀过程的速率，降低牙釉质的再矿化能力及抗酸性。在未来，将提取更多的牙釉质样本，研究不同激光能量密度、不同激光频率和不同照射次数对牙釉质再矿化能力及抗酸性的影响规律和作用机制，得到可用于临床的激光防龋适宜参数。

参考文献

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[2]耿涛.不同参数Er：YAG激光照射牙体硬组织对结构的影响研究[J].中国基层医药，2013，20(15)：2263-2265.

[3]Rodríguez-Vilchis LE， Contreras-Bulnes R， Sánchez-Flores I，etal. Acid resistance andstructural changes of human dental enamel treated with Er: YAG laser [J]. Photomedicine Laser Surgery， 2010， 28(2): 207-211.

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[5]王冠宇，赵志河. Nd:YAG激光和氟涂料在人工口腔中防牙釉质脱矿的形态学观察[J].武警医学院学报，2008，17(2)：122-124.

[6]Correa-Afonso AM， Ciconne-Nogueira JC， Pécora JD，etal. Influence of the irradiation distance and the use of cooling to increase enamel-acid resistance with Er:YAG laser[J]. Journal of Dentistry， 2010， 38(7): 534-540.

[7]石茂渝.氟/激光处理对人牙釉质酸蚀和耐磨性能的影响[D].成都：西南交通大学，2013.

[8]Díaz-Monroy JM，Contreras-Bulnes R，Olea-Mejía OF，etal. Chemical Changes Associated with Increased Acid Resistance of Er: YAG Laser Irradiated Enamel[J]. The Scientific World Journal， 2014，2014:1-6.

[9]马莹莹.不同功率对HMME-PDT防龋效果及影响的实验研究[D].天津：天津医科大学，2011.

(收稿：2015-05-20)

【中图分类号】R780.1

【文献标识码】A

doi：10.3969/j.issn.1000-7377.2016.02.006

*西安市科技局项目(J2011006)

△西安市第二医院口腔科

▲通讯作者