調Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光作用于牙釉質能量密度的研究

屠姍姍，王 禮

牙齒表面牙釉質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，進一步發展可導致齲壞等牙齒疾病[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險等優點在口腔臨床中具有很好的應用前景，而調Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光器可以降低牙釉質及其周圍組織包括牙髓的熱沉積，進一步提高了激光在口腔臨床應用中的安全性，調Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光在牙齒表面處理方面的優勢有待開發。對于激光防脫礦，首先應摸索激光作用于牙釉質的始動能量，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，未經修復和正畸治療。新鮮離體牙用牙周刮治器刮除表面結石、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個月之內用于實驗，激光消融實驗前需將牙釉質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，預備牙冠近遠中向和牙頸部離斷槽溝，過程中噴水冷卻，制成頰面牙釉質組織樣本，用于場發射掃描電鏡觀察。

實驗裝置如圖1所示。樣品置于二維移動平臺上，調Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光器中輸出的激光束，經全反射，再經過聚焦鏡(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，通過改變牙釉質樣品表面到焦點的距離來調節光斑大小，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，設定脈沖能量為10 mJ，重復頻率為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組織，用刀口法檢測光斑直徑。輻照后牙釉質組織樣本在真空40 mA狀態下噴金作用2 min，最后在場發射掃描電鏡下觀察牙釉質表面形貌，用能量彌散X射線譜對牙釉質表面化學成分進行測量，分析牙釉質激光消融閾值以及激光處理牙釉質最佳的能量密度區間。同時用高性能紅外熱像儀(德國Infratech，VH420)對牙釉質組織溫度進行實時監測，觀察牙釉質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律，為后期臨床應用提供理論支撐。

圖1 設計的激光輻照實驗裝置示意圖

2 結果

2.1 測量激光脈寬采用Cr,Er:YSGG激光器對牙釉質組織進行激光輻照，設定脈沖能量為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及周圍組織的熱傳導，從而有效減少牙釉質組織的熱損傷。

圖2 捕捉激光脈寬

2.2 測量光斑直徑，電鏡觀察牙釉質表面采用Cr,Er:YSGG激光器對牙釉質組織進行激光輻照，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。隨后利用場發射掃描電鏡對激光處理組G1～G5及對照組G0的牙釉質表面形貌分別進行觀察：① 實驗中出現牙釉質消融現象；② 牙釉質表面形貌變化：光斑作用在牙釉質樣本組織表面實際產生的消融區域，深度逐漸減小，原有釉柱等微結構從破壞到清晰最后至模糊不清；③ 觀察到魚鱗狀表面形貌，類似國際公認的牙釉質酸蝕刻效果；④ 檢測到激光處理牙釉質最佳能量密度組為G2～G4組。見圖3～8。

圖3 G1組激光輻照電鏡下牙釉質釉柱結構形態

圖4 G2組激光輻照電鏡下牙釉質表面形貌

圖5 G3組激光輻照電鏡下牙釉質表面形貌

圖6 G4組激光輻照電鏡下牙釉質表面形貌

圖7 G5組激光輻照電鏡下牙釉質表面形貌

圖8 G0組激光輻照電鏡下牙釉質表面形貌

2.3 觀察并計算消融閾值采用Cr,Er:YSGG激光器對牙釉質組織進行激光輻照，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間和計算能量密度采用Cr,Er:YSGG激光器對5組牙釉質組織進行激光輻照，參數同前，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最佳的能量密度區間為[(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表面化學成分進行測量，分析激光作用后化學元素的變化，牙釉質結構化學成分為羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2，結果顯示激光作用后并無雜質元素影響。見圖10。

圖10 激光作用后能譜圖

2.6 紅外熱像儀監測并記錄牙釉質表面溫度變化采用Cr,Er:YSGG激光器分別對5組牙釉質組織表面進行激光處理，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行監測。溫度升高是激光作用的基礎，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用。結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

在激光醫學領域，不同波長的激光已經被研究或運用于口腔領域中，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

激光在口腔領域的應用首先要求必須防止熱擴散對牙髓及周圍組織產生熱損傷，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。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內可導致內部牙髓溫度升高約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激光器在牙髓保護方面有優勢，納秒Nd：YAG輻照相關的溫度升高低于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。

牙釉質組織激光輻照區域在場發射掃描電鏡下可觀察到伴有細小裂紋，此類微裂紋非常小，可能是水的釋放導致羥基磷灰石晶體收縮向純相羥基磷灰石轉變，其不足以影響牙齒結構的完整性，并且光學上觀察到微裂紋的形成被認為是確認激光成功治療牙釉質的手段[6]，激光作用區域表面裂縫與干燒蝕相關，而噴霧樣品的作用區域相對清潔而沒有熱損傷[7]。噴霧和水冷效應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致更大范圍的牙釉質脫礦和消融，Geraldo-Martins et al[8]得出結論，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表面，故課題組在本研究中沒有使用噴水。空氣冷卻亦是較為安全的方式[9]，本實驗后續可考慮優化激光操作，摸索采用空氣冷卻下的方式來進一步優化激光處理后的表面。

牙釉質組織激光輻照區域在場發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，導致局部溫度升高，局限組織內的水在極端時間內氣化，體積膨脹，產生微爆炸，達到去除牙體硬組織的效果。實驗有待進一步對調Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光處理牙釉質防脫礦進行研究，如納秒脈沖激光結合氟化物處理牙釉質，分析表面結構、耐酸性和硬度變化等，另外希望后續對調Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光在牙釉質粘結方面進行研究，與酸蝕比較孔洞間隙、作用層的深度等，開發調Q納秒脈沖Cr,Er:YSGG激光在口腔臨床應用方面的優勢。