超短脉冲Er:YAG激光对提高牙本质粘结强度最佳脉冲宽度的研究

甄丹静,夏 荣,徐基亮,孙子环,刘 春,余金兰

Er:YAG激光发射波长2.94 μm与羟基磷灰石中的水和羟基基团的最强吸收带之间的重合使Er:YAG激光发射的能量能很好地被牙体硬组织吸收,使Er:YAG激光切割牙本质得以实现[1-2]。使用Er:YAG激光进行牙体预备可改变其化学成分比并提高牙本质粘结强度[3]。但切割过程会产生更高的温度,从而对牙本质表面造成热损伤,可能会影响牙本质的粘结强度[4]。降低激光处理过程中产生的热损伤是近年来的研究重点,而脉冲宽度是Er:YAG激光处理过程中降低热损伤非常重要的因素[5],脉冲宽度越大,切割过程中的产生的热量就越大[6]。因此,该研究使用一台超短脉冲模式的Er:YAG激光,使脉冲宽度接近牙齿的热弛豫时间,以探究此模式下的最佳脉冲宽度,值得临床借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂超短脉冲模式Er:YAG激光器(中国科学院合肥物质科学研究院健康与医学技术研究所研制);GeminiSEM 300场发射扫描电子显微镜(德国Carl Zeiss公司);E3000电子动静态疲劳试验机(美国Instron公司);TC-501F冷热循环机(上海华邻实业有限公司);ESPE Single Bond通用型粘结剂、Z350XT光固化复合树脂(美国3M公司);离子溅射仪(英国Cressington公司);CLEAN-02超声波清洗机(宁波蓝野医疗器械有限公司)。

1.2 离体牙的收集收集安徽医科大学第二附属医院口腔科 2021年9—12月因治疗需要拔除的第三磨牙,患者年龄30～60岁,要求牙冠完整,活髓、无龋坏、无隐裂;拔牙后,用牙周刮治器刮除表面结石、软垢,组织残留物,0.5 %氯胺溶液消毒48 h后,置于生理盐水中4 ℃环境保存,每2 d更换1次溶液。

1.3 试件的制备与分组

1.3.1试件的制备 50颗离体牙,使用高速涡轮手机TF-11金刚砂车针冷却下在离体牙颊侧颈部沿釉牙骨质界向内制备深5 mm、牙合龈高度4 mm(使用牙周探针测量),近远中贯通的V类洞型(牙合壁与龈壁交角约为 60°),沿着缺损的颊侧向舌侧延伸至冠根分离,取冠向面处理,将制备好的牙齿块包埋于高度15 mm、直径10 mm的聚四氟乙烯模具中,自凝树脂固定,暴露牙颈部充填区。牙面采用220、400、600目水砂纸逐级抛光,每个牙面60 s,以创建一个与临床相关的标准玷污层。使用20 ℃超纯水超声荡洗60 min,取出试件置于生理盐水中,备用。粘结面处理之后每个样本粘结面上固定直径2 mm、高4 mm的圆柱形模具。

1.3.2实验设计与分组 采用简单随机抽样,将样本随机分为5组,G0组为空白对照组,G1～G4组,使用30 MJ,20 Hz Er:YAG激光处理,脉冲宽度分别设置为30、40、50、60 μs。每组随机抽取2个试件用于SEM观察,其余试件进行冷热循环实验后用于SBS实验。将试件固定于0.6 mm/s二维速控平台上,分别使用30、40、50、60 μs的Er:YAG激光处理,同一位置处理2次。用三枪喷头冲洗20 s,使用通用性粘结剂于牙面反复涂布20 s,轻轻吹匀,光照20 s。

1.4 扫描电镜观察Er:YAG激光处理前各实验组随机抽取2个试件,牙面继续采用水砂纸梯度抛光:800、1 000、1 500、2 000目,便于在显微镜下更好的观察牙面变化。Er:YAG激光处理后,50%、70%、80%、90%、100% 梯度乙醇溶液脱水、固定,临界点干燥,喷金,扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)观察分析处理后牙表面形貌特征变化。

1.5 能量色散X射线光谱(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDX)分析EDX借助分析样品发出的元素特征X射线的波长和强度测定元素的相对含量,每组在电镜3 000倍下选取处理与未处理两处区域,分别选取3点进行EDX分析,记录数值并计算钙磷比值。

1.6 冷热循环实验所有试件按组标记,固定于摇臂上,在温度设置5、55 ℃水槽中各水浴30 s为一循环,循环5 000次。

1.7 剪切粘结强度(shear bond strength,SBS)实验将制作好的力学试件,固定于夹具中,在距离粘结面1 mm处,万能力学试验机以0.5 mm/min的速度进行SBS测试,记录剪切时的最大力值。将断裂后的试件在体式显微镜下观察断裂模式。断裂模式分为3类,类型1:粘结失败;类型2:内聚失败;类型3:混合失败。

2 结果

2.1 牙本质表面形貌分析SEM显示激光处理后的牙本质表面均去除了玷污层,牙本质小管呈不同程度的开放。未处理的牙面(图1)可观察到抛光后留下的划痕,划痕周围玷污层阻塞牙本质小管,表面平坦;脉宽为30 μs的Er:YAG激光处理后(图2),牙本质小管形态隐约可见;脉宽为40 μs的Er:YAG激光处理后(图3),牙本质小管形态清晰可见,小管完全开放,管周牙本质突出,与周围界限分明,出现微裂纹;脉宽为50 μs的Er:YAG激光处理后(图4),表面胶原纤维坍塌,出现轻微熔融现象,牙本质小管部分被覆盖,形态不明显,与周围界限不清晰,有轻微裂痕;脉宽为60 μs的Er:YAG激光处理后(图5),表面胶原纤维坍塌,裂痕明显,出现大面积熔融,牙本质小管形态消失,小管几乎全部覆盖。

图1 G0组2 000目水砂纸抛光后电镜图

图2 G1组的Er:YAG激光组电镜图

图3 G2组的Er:YAG激光组电镜图

图4 G3组的Er:YAG激光组电镜图

图5 G4组的Er:YAG激光组电镜图

2.2 牙本质表面钙磷比分析Er:YAG激光处理后,钙磷的平均重量百分比上升,且钙磷比增加,G2组激光处理前后的钙磷比值变化差异有统计学意义(P<0.05)。见图6。

图6 各组钙磷比分析

2.3 各组SBS比较冷热循环实验后的各组SBS值见表1,采用单因素方差分析比较不同处理方式之间的差异,SBS最大值在G2组,最小值在G0组,SBS平均值G2>G3>G1>G4>G0,其中,G1组、G3组和G4组之间的SBS平均值差异无统计学意义,G2组与G0组、G1组、G3组和G4组组间差异有统计学意义(P<0.05);G0组与G1组、G2组、G3组和G4组组间差异有统计学意义(P<0.05)。见图7。

表1 各组经过冷热循环实验后的SBS比较(MPa)

图7 各组SBS分析

2.4 界面破坏方式分析SBS实验后牙本质与树脂之间的断裂形式见表2,各组界面破坏方式主要以类型1为主,G1、G2、G3、G4和G0组类型1占比分别为86.5%、75.0%、100.0%、100.0%、100.0%。

表2 粘结面断裂形式

3 讨论

SBS是最常用评估粘结效果的定量指标。SEM可观察牙本质表面的微观形貌,并通过EDX检测牙本质表面钙磷比,为材料的粘结性能提供有效信息。冷热循环实验在温度设置5、55 ℃水槽中各水浴30 s为一循环,循环5 000次可模仿口内充填物半年后的状态[7]。因此,为了检测口腔材料的长期稳定性,本研究通过冷热循环实验,模拟半年后充填物状态,粘结材料的粘结强度。

Aoki et al[8]描述了激光处理牙本质表面的微观形貌,管周牙本质呈袖口状外观,牙本质小管的开放是增强与激光处理的牙本质结合的重要因素,本研究中通过SEM观察结果与Aoki et al[8]的研究结果相一致。牙本质的无机成分主要是羟基磷灰石中的钙和磷。Aljdaimi et al[9]研究表明Er:YAG激光照射牙本质后,其表面钙磷比增加可对充填材料的粘结强度产生积极影响,因为钙磷比的增加提高了充填材料和牙本质之间的化学键强度。使用超短脉冲Er:YAG处理牙本质时,钙磷比增加更加明显[3]。本研究中的EDX结果显示,G2组牙本质激光处理后钙磷比增加,且与激光处理前差异有统计学意义;G1组、G3组和G4组激光处理后的的钙磷比增加,与激光处理前的钙磷比差异无统计学意义。实验结果表明,冷热循环实验后G2组的SBS最大。此结果与Aljdaimi et al[9]的研究结果一致,从钙磷比角度验证了脉冲宽度为40 μs时,可显著提高牙本质的SBS。

在本研究中,在特定的脉冲宽度(40 μs)时,SBS明显高于其他组,增加或减小脉冲宽度均会降低SBS;超过最佳脉冲宽度,会导致牙本质裂纹以及牙本质熔融,这些被认为是树脂突进入牙本质小管的限制因素,从而导致SBS值降低[10]。从断裂形式来看,断口的形成受粘结面积的影响,粘结面积越小,应力分布越均匀,粘结断裂的可能性越小[11],越能够反映材料的真实粘结强度。

Karadas et al[12]比较了激光与高速涡轮机处理牙本质后与树脂之间的粘结稳定性,其结果显示:牙本质采用不同粘结方式,冷热循环实验后牙本质粘结强度无显著差异,建议使用自酸蚀粘结剂,因此本研究采用自酸蚀粘结系统。Akin et al[13]通过对激光切割牙体硬组织的粘接强度的研究发现,与100 μs的脉冲模式比较,50 μs的超短脉冲激光切割模式能够较大提高粘接强度,有利于牙科后续治疗。Shinkai et al[14]认为需要准确选择激光脉冲持续时间,以限制整个牙本质照射过程中的不良影响。以上研究提示,Er:YAG激光作用于牙面的效果与脉冲宽度有密不可分的关系,因此本研究使用了新的Er:YAG激光器,以探究超短脉冲宽度Er:YAG处理牙面的最佳脉冲宽度。

本研究是为了探讨在单独激光处理条件下的最佳参数,有研究证明引入酸蚀后可进一步提高粘结性能,可进一步实验进行论证。本研究存在一定的局限性,牙齿的病变情况无法在体外模拟,为了控制变量,本研究统一选取牙颈部处的牙本质,牙齿其他部位的牙本质小管方向有差异,需进一步对不同部位牙本质以及更多的激光参数进行研究。

综上所述,Er:YAG激光器操作简单、安全、微创,可有效去除玷污层,减轻患者痛苦。30 MJ,20 HZ,40 μs的Er:YAG激光能够高效率的提高界面的粘结性能,对临床有一定的借鉴价值。