超短脈沖Er:YAG激光對提高牙本質粘結強度最佳脈沖寬度的研究

甄丹靜,夏 榮,徐基亮,孫子環,劉 春,余金蘭

Er:YAG激光發射波長2.94 μm與羥基磷灰石中的水和羥基基團的最強吸收帶之間的重合使Er:YAG激光發射的能量能很好地被牙體硬組織吸收,使Er:YAG激光切割牙本質得以實現[1-2]。使用Er:YAG激光進行牙體預備可改變其化學成分比并提高牙本質粘結強度[3]。但切割過程會產生更高的溫度,從而對牙本質表面造成熱損傷,可能會影響牙本質的粘結強度[4]。降低激光處理過程中產生的熱損傷是近年來的研究重點,而脈沖寬度是Er:YAG激光處理過程中降低熱損傷非常重要的因素[5],脈沖寬度越大,切割過程中的產生的熱量就越大[6]。因此,該研究使用一臺超短脈沖模式的Er:YAG激光,使脈沖寬度接近牙齒的熱弛豫時間,以探究此模式下的最佳脈沖寬度,值得臨床借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑超短脈沖模式Er:YAG激光器(中國科學院合肥物質科學研究院健康與醫學技術研究所研制);GeminiSEM 300場發射掃描電子顯微鏡(德國Carl Zeiss公司);E3000電子動靜態疲勞試驗機(美國Instron公司);TC-501F冷熱循環機(上海華鄰實業有限公司);ESPE Single Bond通用型粘結劑、Z350XT光固化復合樹脂(美國3M公司);離子濺射儀(英國Cressington公司);CLEAN-02超聲波清洗機(寧波藍野醫療器械有限公司)。

1.2 離體牙的收集收集安徽醫科大學第二附屬醫院口腔科 2021年9—12月因治療需要拔除的第三磨牙,患者年齡30～60歲,要求牙冠完整,活髓、無齲壞、無隱裂;拔牙后,用牙周刮治器刮除表面結石、軟垢,組織殘留物,0.5 %氯胺溶液消毒48 h后,置于生理鹽水中4 ℃環境保存,每2 d更換1次溶液。

1.3 試件的制備與分組

1.3.1試件的制備 50顆離體牙,使用高速渦輪手機TF-11金剛砂車針冷卻下在離體牙頰側頸部沿釉牙骨質界向內制備深5 mm、牙合齦高度4 mm(使用牙周探針測量),近遠中貫通的V類洞型(牙合壁與齦壁交角約為 60°),沿著缺損的頰側向舌側延伸至冠根分離,取冠向面處理,將制備好的牙齒塊包埋于高度15 mm、直徑10 mm的聚四氟乙烯模具中,自凝樹脂固定,暴露牙頸部充填區。牙面采用220、400、600目水砂紙逐級拋光,每個牙面60 s,以創建一個與臨床相關的標準玷污層。使用20 ℃超純水超聲蕩洗60 min,取出試件置于生理鹽水中,備用。粘結面處理之后每個樣本粘結面上固定直徑2 mm、高4 mm的圓柱形模具。

1.3.2實驗設計與分組 采用簡單隨機抽樣,將樣本隨機分為5組,G0組為空白對照組,G1～G4組,使用30 MJ,20 Hz Er:YAG激光處理,脈沖寬度分別設置為30、40、50、60 μs。每組隨機抽取2個試件用于SEM觀察,其余試件進行冷熱循環實驗后用于SBS實驗。將試件固定于0.6 mm/s二維速控平臺上,分別使用30、40、50、60 μs的Er:YAG激光處理,同一位置處理2次。用三槍噴頭沖洗20 s,使用通用性粘結劑于牙面反復涂布20 s,輕輕吹勻,光照20 s。

1.4 掃描電鏡觀察Er:YAG激光處理前各實驗組隨機抽取2個試件,牙面繼續采用水砂紙梯度拋光:800、1 000、1 500、2 000目,便于在顯微鏡下更好的觀察牙面變化。Er:YAG激光處理后,50%、70%、80%、90%、100% 梯度乙醇溶液脫水、固定,臨界點干燥,噴金,掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)觀察分析處理后牙表面形貌特征變化。

1.5 能量色散X射線光譜(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDX)分析EDX借助分析樣品發出的元素特征X射線的波長和強度測定元素的相對含量,每組在電鏡3 000倍下選取處理與未處理兩處區域,分別選取3點進行EDX分析,記錄數值并計算鈣磷比值。

1.6 冷熱循環實驗所有試件按組標記,固定于搖臂上,在溫度設置5、55 ℃水槽中各水浴30 s為一循環,循環5 000次。

1.7 剪切粘結強度(shear bond strength,SBS)實驗將制作好的力學試件,固定于夾具中,在距離粘結面1 mm處,萬能力學試驗機以0.5 mm/min的速度進行SBS測試,記錄剪切時的最大力值。將斷裂后的試件在體式顯微鏡下觀察斷裂模式。斷裂模式分為3類,類型1:粘結失敗;類型2:內聚失敗;類型3:混合失敗。

2 結果

2.1 牙本質表面形貌分析SEM顯示激光處理后的牙本質表面均去除了玷污層,牙本質小管呈不同程度的開放。未處理的牙面(圖1)可觀察到拋光后留下的劃痕,劃痕周圍玷污層阻塞牙本質小管,表面平坦;脈寬為30 μs的Er:YAG激光處理后(圖2),牙本質小管形態隱約可見;脈寬為40 μs的Er:YAG激光處理后(圖3),牙本質小管形態清晰可見,小管完全開放,管周牙本質突出,與周圍界限分明,出現微裂紋;脈寬為50 μs的Er:YAG激光處理后(圖4),表面膠原纖維坍塌,出現輕微熔融現象,牙本質小管部分被覆蓋,形態不明顯,與周圍界限不清晰,有輕微裂痕;脈寬為60 μs的Er:YAG激光處理后(圖5),表面膠原纖維坍塌,裂痕明顯,出現大面積熔融,牙本質小管形態消失,小管幾乎全部覆蓋。

圖1 G0組2 000目水砂紙拋光后電鏡圖

圖2 G1組的Er:YAG激光組電鏡圖

圖3 G2組的Er:YAG激光組電鏡圖

圖4 G3組的Er:YAG激光組電鏡圖

圖5 G4組的Er:YAG激光組電鏡圖

2.2 牙本質表面鈣磷比分析Er:YAG激光處理后,鈣磷的平均重量百分比上升,且鈣磷比增加,G2組激光處理前后的鈣磷比值變化差異有統計學意義(P<0.05)。見圖6。

圖6 各組鈣磷比分析

2.3 各組SBS比較冷熱循環實驗后的各組SBS值見表1,采用單因素方差分析比較不同處理方式之間的差異,SBS最大值在G2組,最小值在G0組,SBS平均值G2>G3>G1>G4>G0,其中,G1組、G3組和G4組之間的SBS平均值差異無統計學意義,G2組與G0組、G1組、G3組和G4組組間差異有統計學意義(P<0.05);G0組與G1組、G2組、G3組和G4組組間差異有統計學意義(P<0.05)。見圖7。

表1 各組經過冷熱循環實驗后的SBS比較(MPa)

圖7 各組SBS分析

2.4 界面破壞方式分析SBS實驗后牙本質與樹脂之間的斷裂形式見表2,各組界面破壞方式主要以類型1為主,G1、G2、G3、G4和G0組類型1占比分別為86.5%、75.0%、100.0%、100.0%、100.0%。

表2 粘結面斷裂形式

3 討論

SBS是最常用評估粘結效果的定量指標。SEM可觀察牙本質表面的微觀形貌,并通過EDX檢測牙本質表面鈣磷比,為材料的粘結性能提供有效信息。冷熱循環實驗在溫度設置5、55 ℃水槽中各水浴30 s為一循環,循環5 000次可模仿口內充填物半年后的狀態[7]。因此,為了檢測口腔材料的長期穩定性,本研究通過冷熱循環實驗,模擬半年后充填物狀態,粘結材料的粘結強度。

Aoki et al[8]描述了激光處理牙本質表面的微觀形貌,管周牙本質呈袖口狀外觀,牙本質小管的開放是增強與激光處理的牙本質結合的重要因素,本研究中通過SEM觀察結果與Aoki et al[8]的研究結果相一致。牙本質的無機成分主要是羥基磷灰石中的鈣和磷。Aljdaimi et al[9]研究表明Er:YAG激光照射牙本質后,其表面鈣磷比增加可對充填材料的粘結強度產生積極影響,因為鈣磷比的增加提高了充填材料和牙本質之間的化學鍵強度。使用超短脈沖Er:YAG處理牙本質時,鈣磷比增加更加明顯[3]。本研究中的EDX結果顯示,G2組牙本質激光處理后鈣磷比增加,且與激光處理前差異有統計學意義;G1組、G3組和G4組激光處理后的的鈣磷比增加,與激光處理前的鈣磷比差異無統計學意義。實驗結果表明,冷熱循環實驗后G2組的SBS最大。此結果與Aljdaimi et al[9]的研究結果一致,從鈣磷比角度驗證了脈沖寬度為40 μs時,可顯著提高牙本質的SBS。

在本研究中,在特定的脈沖寬度(40 μs)時,SBS明顯高于其他組,增加或減小脈沖寬度均會降低SBS;超過最佳脈沖寬度,會導致牙本質裂紋以及牙本質熔融,這些被認為是樹脂突進入牙本質小管的限制因素,從而導致SBS值降低[10]。從斷裂形式來看,斷口的形成受粘結面積的影響,粘結面積越小,應力分布越均勻,粘結斷裂的可能性越小[11],越能夠反映材料的真實粘結強度。

Karadas et al[12]比較了激光與高速渦輪機處理牙本質后與樹脂之間的粘結穩定性,其結果顯示:牙本質采用不同粘結方式,冷熱循環實驗后牙本質粘結強度無顯著差異,建議使用自酸蝕粘結劑,因此本研究采用自酸蝕粘結系統。Akin et al[13]通過對激光切割牙體硬組織的粘接強度的研究發現,與100 μs的脈沖模式比較,50 μs的超短脈沖激光切割模式能夠較大提高粘接強度,有利于牙科后續治療。Shinkai et al[14]認為需要準確選擇激光脈沖持續時間,以限制整個牙本質照射過程中的不良影響。以上研究提示,Er:YAG激光作用于牙面的效果與脈沖寬度有密不可分的關系,因此本研究使用了新的Er:YAG激光器,以探究超短脈沖寬度Er:YAG處理牙面的最佳脈沖寬度。

本研究是為了探討在單獨激光處理條件下的最佳參數,有研究證明引入酸蝕后可進一步提高粘結性能,可進一步實驗進行論證。本研究存在一定的局限性,牙齒的病變情況無法在體外模擬,為了控制變量,本研究統一選取牙頸部處的牙本質,牙齒其他部位的牙本質小管方向有差異,需進一步對不同部位牙本質以及更多的激光參數進行研究。

綜上所述,Er:YAG激光器操作簡單、安全、微創,可有效去除玷污層,減輕患者痛苦。30 MJ,20 HZ,40 μs的Er:YAG激光能夠高效率的提高界面的粘結性能,對臨床有一定的借鑒價值。