调Q纳秒脉冲Cr,Er:YSGG激光作用于牙釉质能量密度的研究

屠姗姗，王 礼

牙齿表面牙釉质脱矿是很多口腔牙体疾病的始动因素，形成的白垩斑影响口腔健康和美观，进一步发展可导致龋坏等牙齿疾病[1]，已成为口腔临床急需解决的难题。激光因其无噪音、治疗时间短和无交叉感染风险等优点在口腔临床中具有很好的应用前景，而调Q纳秒脉冲Cr,Er:YSGG激光器可以降低牙釉质及其周围组织包括牙髓的热沉积，进一步提高了激光在口腔临床应用中的安全性，调Q纳秒脉冲Cr,Er:YSGG激光在牙齿表面处理方面的优势有待开发。对于激光防脱矿，首先应摸索激光作用于牙釉质的始动能量，其次是能量密度。

1 材料与方法

1.1 实验方法选取正畸治疗中拔除的前磨牙36个，牙体要求完整、无色斑、无龋坏、无充填，未经修复和正畸治疗。新鲜离体牙用牙周刮治器刮除表面结石、软垢、组织残留物，再用生理盐水冲洗，依次用砂纸抛光至2 000目，置于生理盐水中超声震荡清洗30 min，最后将牙组织样品保存于0.9%的生理盐水中，并在1个月之内用于实验，激光消融实验前需将牙釉质组织再一次清洗干净并放置在空气中干燥30 min。实验完成后间断使用高速涡轮机，预备牙冠近远中向和牙颈部离断槽沟，过程中喷水冷却，制成颊面牙釉质组织样本，用于场发射扫描电镜观察。

实验装置如图1所示。样品置于二维移动平台上，调Q纳秒脉冲Cr,Er:YSGG激光器中输出的激光束，经全反射，再经过聚焦镜(f=50 mm)，聚焦垂直入射到样品表面，样品置于聚焦镜焦点附近，通过改变牙釉质样品表面到焦点的距离来调节光斑大小，从而改变能量密度。实验在室温空气中，未喷水喷气冷却情形下，光源采用波长为2.79 μm的Cr,Er:YSGG激光，设定脉冲能量为10 mJ，重复频率为3 Hz，按不同光斑大小分5组，分别用10 mJ的单个脉冲能量辐照牙釉质组织，用刀口法检测光斑直径。辐照后牙釉质组织样本在真空40 mA状态下喷金作用2 min，最后在场发射扫描电镜下观察牙釉质表面形貌，用能量弥散X射线谱对牙釉质表面化学成分进行测量，分析牙釉质激光消融阈值以及激光处理牙釉质最佳的能量密度区间。同时用高性能红外热像仪(德国Infratech，VH420)对牙釉质组织温度进行实时监测，观察牙釉质及其周围组织温度是否明显变化，掌握激光作用下温度变化规律，为后期临床应用提供理论支撑。

图1 设计的激光辐照实验装置示意图

2 结果

2.1 测量激光脉宽采用Cr,Er:YSGG激光器对牙釉质组织进行激光辐照，设定脉冲能量为10 mJ，测量脉宽为110 ns，见图2。纳秒级的作用时间有效避免了激光脉冲向牙釉质及周围组织的热传导，从而有效减少牙釉质组织的热损伤。

图2 捕捉激光脉宽

2.2 测量光斑直径，电镜观察牙釉质表面采用Cr,Er:YSGG激光器对牙釉质组织进行激光辐照，按不同光斑大小分5组，分别用10 mJ的脉冲辐照牙釉质样本组织，用刀口法检测光斑直径，G1～G55组光斑直径分别为(260±12)、(350±4)、(435±15)、(510±11)、(565±34) μm，未处理组为对照组G0。随后利用场发射扫描电镜对激光处理组G1～G5及对照组G0的牙釉质表面形貌分别进行观察：① 实验中出现牙釉质消融现象；② 牙釉质表面形貌变化：光斑作用在牙釉质样本组织表面实际产生的消融区域，深度逐渐减小，原有釉柱等微结构从破坏到清晰最后至模糊不清；③ 观察到鱼鳞状表面形貌，类似国际公认的牙釉质酸蚀刻效果；④ 检测到激光处理牙釉质最佳能量密度组为G2～G4组。见图3～8。

图3 G1组激光辐照电镜下牙釉质釉柱结构形态

图4 G2组激光辐照电镜下牙釉质表面形貌

图5 G3组激光辐照电镜下牙釉质表面形貌

图6 G4组激光辐照电镜下牙釉质表面形貌

图7 G5组激光辐照电镜下牙釉质表面形貌

图8 G0组激光辐照电镜下牙釉质表面形貌

2.3 观察并计算消融阈值采用Cr,Er:YSGG激光器对牙釉质组织进行激光辐照，得到了G5组激光光斑直径为(565±34)μm时作用牙釉质时的能量密度(能量密度=能量/面积)为其消融阈值，并捕捉到消融阈值图，计算其消融阈值为(4.03±0.47) J/cm2。见图9。

2.4 观察最佳能量密度区间和计算能量密度采用Cr,Er:YSGG激光器对5组牙釉质组织进行激光辐照，参数同前，计算能量密度分别为：(18.93±1.67)、(10±0.21)、(6.75±0.44)、(4.90±0.22)、(4.03±0.47) J/cm2。其中激光处理牙釉质最佳的能量密度区间为[(4.90±0.22 )～(10±0.21)] J/cm2。

图9 G5组激光辐照电镜下牙釉质表面形貌 ×500

2.5 激光作用后能谱图利用能量弥散X射线谱对激光作用后牙釉质表面化学成分进行测量，分析激光作用后化学元素的变化，牙釉质结构化学成分为羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2，结果显示激光作用后并无杂质元素影响。见图10。

图10 激光作用后能谱图

2.6 红外热像仪监测并记录牙釉质表面温度变化采用Cr,Er:YSGG激光器分别对5组牙釉质组织表面进行激光处理，同时用高性能红外热像仪对纳秒脉冲激光作用过程中的温度变化进行监测。温度升高是激光作用的基础，合适且安全的温度才能获得最佳的实验效果和最广泛的临床应用。结果显示单个脉冲检测到很小温度变化，温度上升最低组约1 ℃左右，最高组大约2 ℃左右，说明单个脉冲的能量非常安全。见图11。

3 讨论

在激光医学领域，不同波长的激光已经被研究或运用于口腔领域中，例如Ar离子激光(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激光被证明对牙硬组织具有很好的处理效果[3]，而2.79 μm的Cr,Er:YSGG激光同时处于羟基磷灰石和水的吸收峰附近，能够获得比2.94 μm波长的Er:YAG激光更好的吸收效果。

图11 G1～G5组单个脉冲末瞬间温度变化曲线

激光在口腔领域的应用首先要求必须防止热扩散对牙髓及周围组织产生热损伤，除波长外，每个脉冲的作用时间(即激光脉宽)是影响温度升高最重要的激光参数。Ana et al[4]的研究表明，采用脉宽140 μs的Cr,Er:YSGG激光作用牙组织，在60 s内可导致内部牙髓温度升高约4.5 ℃，接近牙髓的损伤阈值，需要减小激光脉宽以避免热损伤。而纳秒脉冲Nd：YAG激光器相对于长脉冲Nd：YAG激光器在牙髓保护方面有优势，纳秒Nd：YAG辐照相关的温度升高低于2.5 ℃，这说明其使用时没有牙髓损伤[5]。随着激光脉冲宽度的缩短和峰值功率(峰值功率=激光脉冲能量/脉宽)的提高，相比于微秒脉冲激光，纳秒脉宽激光辐照可以明显降低产热对牙髓和周围组织的热损伤，本实验采用脉宽为110 ns的Cr,Er:YSGG激光对牙釉质辐照，脉宽短至纳秒量级，单个脉冲温度上升最高组才大约2 ℃左右，说明本实验纳秒脉宽有效减少牙釉质样本组织的热损伤，为牙髓及周围组织的安全性提供了保障。

牙釉质组织激光辐照区域在场发射扫描电镜下可观察到伴有细小裂纹，此类微裂纹非常小，可能是水的释放导致羟基磷灰石晶体收缩向纯相羟基磷灰石转变，其不足以影响牙齿结构的完整性，并且光学上观察到微裂纹的形成被认为是确认激光成功治疗牙釉质的手段[6]，激光作用区域表面裂缝与干烧蚀相关，而喷雾样品的作用区域相对清洁而没有热损伤[7]。喷雾和水冷效应是牙科治疗安全有效的方式，尽管使用水可以控制温度升高，但是直接喷射到辐照组织表面上的水可以导致更大范围的牙釉质脱矿和消融，Geraldo-Martins et al[8]得出结论，在Cr,Er:YSGG激光照射过程中水的存在将难以获得更耐酸的牙釉质表面，故课题组在本研究中没有使用喷水。空气冷却亦是较为安全的方式[9]，本实验后续可考虑优化激光操作，摸索采用空气冷却下的方式来进一步优化激光处理后的表面。

牙釉质组织激光辐照区域在场发射扫描电镜下观察到的鱼鳞状表面形貌，其激光消融牙釉质机制是：在激光照射牙齿过程中，能量被牙齿中的水和羟基磷灰石吸收，导致局部温度升高，局限组织内的水在极端时间内气化，体积膨胀，产生微爆炸，达到去除牙体硬组织的效果。实验有待进一步对调Q纳秒脉冲Cr,Er:YSGG激光处理牙釉质防脱矿进行研究，如纳秒脉冲激光结合氟化物处理牙釉质，分析表面结构、耐酸性和硬度变化等，另外希望后续对调Q纳秒脉冲Cr,Er:YSGG激光在牙釉质粘结方面进行研究，与酸蚀比较孔洞间隙、作用层的深度等，开发调Q纳秒脉冲Cr,Er:YSGG激光在口腔临床应用方面的优势。