方法文章

体外评估铒、铬：钇钪镓石榴石激光与二极管激光对钛圆柱体作用的影响

DOI：

10.3791/67955

⸱

2025年6月6日

 ,  , 
1Faculty of Dentistry, Department of Periodontology, Akdeniz University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究中，分别将铒、铬：钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）激光和半导体二极管（diode）激光照射于96个特制钛圆柱体的平面表面。在另一侧表面放置热电偶并测量温度。采用轮廓仪、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析表面粗糙度。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

种植体周围疾病是与牙科种植体相关的重要问题。本研究旨在评估二极管激光与掺铒、铬的钇钪镓石榴石 (Er,Cr:YSGG) 激光用于钛圆柱体表面处理，以治疗非手术性种植体周围疾病。共设立13组，包括对照组，分别采用940 nm半导体激光（0.8 W、1.3 W、1.8 W）和Er,Cr:YSGG激光（1.5 W、2.5 W、3.5 W），在两种不同功率模式（20 s/W 和 40 s/W）下进行处理，每组处理8个钛圆柱体。处理过程中，通过置于圆柱体根尖槽内的热电偶记录初始与最终温度。处理后，使用轮廓仪测量所有圆盘的表面粗糙度（Ra）。采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对表面进行二维和三维形貌观察。在评估激光照射过程中钛圆柱体的温度变化时，发现使用半导体激光照射40 s的组别温度显著高于照射20 s的组别。而在Er,Cr:YSGG激光处理的组别中，部分样本温度下降，部分样本温度仅有轻微上升。所有组别的轮廓仪测量值（Ra）在表面粗糙度方面均无统计学显著差异。然而，SEM图像显示处理后的表面出现熔融现象，且微孔数量增加。受限于本研究 体外 本研究中，Er,Cr:YSGG 激光和半导体激光可被视为治疗种植体周围炎的安全方法，尤其在热安全性方面。尽管钛圆柱表面粗糙度未发生改变，但使用这些激光会导致表面出现熔融性改变及微孔。关于这些激光参数设置对细菌减少和骨整合影响的具体机制，仍需进一步研究。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

种植牙是目前普遍接受的牙齿缺失修复治疗方案1,2。种植体周围黏膜炎和种植体周围炎被归类为种植体周围疾病。种植体周围黏膜炎仅局限于软组织，除生理性的骨改建外，无骨组织丧失的证据。种植体周围炎是一种与菌斑相关的病理性状态，会影响种植体周围的组织，其特征是种植体周围黏膜发生炎症，并继而出现支持骨进行性丧失3。引发和促进该疾病发生发展的主要病因因素是种植体周围菌斑生物膜的失衡4。大量关于种植体周围疾病的研究表明，种植体周围黏膜炎（PIM）的患病率介于9.7%至64.6%之间，而种植体周围炎（P）的患病率则在4.7%至45%之间5。

尽管菌斑积聚是导致种植体周围炎的主要病因因素，但由于种植体具有多样化的地形特征，其治疗较为复杂。非手术治疗种植体周围炎的基础是通过清创种植体表面并清除附着的生物膜，以降低细菌负荷至致病阈值以下6,7。钛界面复杂的微观和宏观形貌以及骨缺损的解剖结构限制了表面去污染的效果。目前已评估了多种机械（刮治器、超声设备、空气粉末喷砂、钛刷）、化学（柠檬酸、氯己定、抗菌剂）和物理（激光、光动力疗法）去污染技术的联合应用效果8。当前研究表明，联合使用非手术干预技术治疗种植体周围炎比单独清创更为有效9。在机械治疗中引入化学抗菌剂或局部/全身性抗生素已显示出显著疗效；然而，这些干预措施可能带来潜在的不良后果10。随着激光技术的进步，牙科激光因其对种植体表面具有抗感染、解毒及操作便捷等优势而日益普及10,11。

吸收峰、设备的工作模式以及组织特性均会影响激光照射过程中的温度升高。一项关键的临床前研究表明，温度升高至50 °C并持续1分钟会导致血管损伤，而升至60 °C则会引起血流停止及继发性骨坏死12。一项体外研究发现，仅经过10秒的半导体激光照射，种植体表面温度即可超过骨组织安全阈值（10 °C）。温度仅升高10 °C就可能损害骨组织的活性13。

近年来，大量研究集中于探讨激光在这一领域的有益影响14,15,16,17,18。在采用适当参数的条件下，不同激光波长均表现出对种植体表面显著的抗菌效果和良好的安全性。激光治疗的效果受多种变量影响，包括强度、频率和波长。多项研究已证实不同激光波长（如CO2、Er:YAG、Er,Cr:YSGG以及多种半导体激光）具有杀菌作用，这使我们能够明确不同激光在种植体周围炎治疗中的积极作用。Aoki 等人19,20,21在其综述中总结指出，激光应用有助于在非手术和手术性种植体周围治疗（包括再生性治疗）中实现表面清洁，并通过激活周围组织细胞促进愈合过程22。

半导体激光器能够对种植体表面产生杀菌作用，同时不影响种植体的表面形貌。在治疗种植体周围炎时，半导体激光可能是一种理想选择，因为它可促进牙周组织的愈合23,24,25。

掺铒、铬的钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）激光在清除生物膜和去污种植体表面方面表现出有效性能11。 由于其以水为动力的特性，铒激光在不造成机械损伤的情况下，展现出显著的杀菌效果和促进骨再生的性能11,14。

关于激光照射对钛种植体所引起改变的数据尚显不足。此外，针对钛表面的激光照射尚无明确的方法学，包括激光功率和照射时间等参数。既往研究表明，Er,Cr:YSGG激光16 照射对温度变化无显著影响，而关于半导体激光的研究结果则有不同：部分研究显示其超过13 ，而另一些研究则显示未超过16,26 临界值。在文献中，激光处理对钛表面Ra值影响的结果存在差异18,27。本研究的零假设为：在使用Er,Cr:YSGG激光与半导体激光处理时，钛表面的温度变化和粗糙度变化之间无显著差异。本研究旨在通过监测不同时间和功率设置下Er,Cr:YSGG激光和半导体激光对钛材料表面粗糙度和温度变化的影响，确定安全的操作参数。温度变化的评估采用热电偶进行，表面粗糙度通过轮廓仪测定，表面形貌的改变则通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）技术进行分析。

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

注意：钛圆柱体由与常规种植体相同的材料制成，并采用SLA技术设计以复制种植体表面，其高度为10 mm，直径为5 mm。在圆柱体中心设有一个深度为7 mm、宽度为3 mm的空腔（图2）。该空腔的宽度在最深处由3 mm逐渐减小至1 mm。使用轮廓仪测量标准种植体的表面粗糙度不可行。因此，可通过分析制造商设计的钛圆柱体顶部一个直径为5 mm的平坦表面来评估激光处理的效果，该平坦表面采用与种植体表面相同的模拟材料。此外，为了测量圆柱体中心的温度变化，从钛圆柱体底面中心向内部加工出一条深7 mm、宽3 mm的沟槽，用于放置热电偶探头。该沟槽使得能够从圆柱体内部而非依赖外部表面来评估处理表面的温度变化。通过原子力显微镜（AFM）分析特制钛圆柱体的平坦表面获得三维图像。根据厂家推荐，分别使用940 nm半导体激光（0.8 W28、1.3 W29、1.8 W30）和2.780 nm Er,Cr:YSGG激光（1.5 W31、2.5 W31、3.5 W32）在三种不同功率下进行照射，每种设置分别作用20秒和40秒，共形成12个实验组。照射后增设一个对照组用于表面粗糙度评估。为确保在照射过程中钛圆柱体保持稳定，使用三维打印机打印了一个带指托支撑的支架（材料表）。

1. 样本量

  1. 使用 G*Power 程序的统计功效分析计算样本量。根据效应量 d：0.6906、标准差 16.8、功效：0.80 和 α：0.05，确定每组所需的最小样本量为 n=8 个样本，用于温度变化的检测。
    ​注：本研究中使用的激光系统为配备 940 nm 半导体激光器的 Er,Cr:YSGG 激光器，其带有直径为 300 µm 的 e3 治疗头，以及 360° 发射的弹性 RFPT5-14 治疗头（直径 580 µm，长度 14 mm）（图 1）。

牙科激光设备及附件；包括半导体激光仪、光纤头。
图1：所用仪器与设备。（A）半导体激光仪，（B）铒、铬：钇钪镓石榴石激光仪，（C）E3光纤头，（D）RPTF5-14光纤头。请点击此处查看此图的放大版本。

2. 确定工作小组

  1. 以推荐用于种植体周围黏膜炎口内治疗的激光瓦特数作为理想使用条件。此外，在研究分组中分别设置一个低于和高于推荐瓦特值的参数。本研究中使用的参数分别为：Er,Cr:YSGG 激光为 1.5 W 和 3.5 W，半导体激光为 0.8 W 和 1.8 W。
  2. 设定照射时间为 20 秒和 40 秒，以评估操作时间对温度变化的影响。研究分组见表 1。
组别名称激光类型样本数量 (n)瓦特 (W)时间 (s)
E1Er,Cr:YSGG81.5 W20
E282.5 W20
E383.5 W20
E481.5 W40
E582.5 W40
E683.5 W40
D1二极管80.8 W20
D281.3 W20
D381.8 W20
D480.8 W40
D581.3 W40
D681.8 W40
C对照8

表1：研究分组信息。

3. 实验装置的准备

  1. 使用 Rhinoceros（三维图形与设计）软件，设计一个带有空腔的圆柱形支架，空腔直径略大于 10 mm，壁厚为 5 mm。
    1. 打开应用程序。绘制一个直径为 10 mm 的圆。沿一个轴向将其缩小 50%，形成椭圆。按下“挤出”键，将椭圆沿第三维度拉伸。
    2. 再次绘制一个圆，用于手指支撑。使用“挤出”键将第二个圆沿第三维度拉伸，高度应小于第一个圆。
    3. 使用布尔运算命令在椭圆图形上钻一个直径为 10 mm 的孔。为支持热电偶，使用“Sweep 1”命令绘制 L 形线条，并生成第三维度结构。
    4. 绘制一个正方形，使用“挤出”命令将其沿第三维度放大，形成底座。打印设计完成后，在钛圆柱即将插入的孔周围涂抹硅胶并使其干燥。这可在激光照射过程中固定圆柱位置。
  2. 将一个密闭房间的空调温度调节至 27 °C。使用双面胶带将用于固定圆柱的支架固定在塑料容器中央。
    注意：插入钛圆柱后，挤压空气至其表面。
  3. 将温度计的热电偶插入支架槽中钛圆柱的空心部分。
  4. 准备一个计时器以记录照射时间。由第三位观察者记录温度读数，并使用秒表跟踪时间。

4. 实验步骤

  1. 激光操作过程中，为确保操作者安全，请佩戴防护眼镜。为Er,Cr:YSGG激光器安装RPTF5-14治疗头，为半导体激光器安装E3治疗头。
  2. 开启Er,Cr:YSGG激光器，选择牙周封闭模式。分别以1.5 W、2.5 W和3.5 W的功率，各照射20秒和40秒。共对96个钛圆柱体进行激光处理。每个钛圆柱体仅使用一种激光类型、一种功率和一种照射时间。
  3. 开启半导体激光器，选择牙周袋模式。分别以0.8 W、1.3 W和1.8 W的功率，各照射20秒和40秒。
  4. 当激光开始照射时，由第三位观察者启动计时器，并在其时间结束前提醒该观察者。
  5. 将激光治疗头以15°角接触表面，以之字形方式在整个表面移动，持续预定时间。
  6. 记录激光照射过程中的初始温度和最终温度。用结束时的温度值减去开始时的温度值，计算温度变化。
    注意：共记录12组温度变化值，包括6组Er,Cr:YSGG激光组和6组半导体激光组。
  7. 将样本保存在透明袋中，并在袋上标注组别编号。

5. 材料的二维和三维成像

  1. 采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析，评估并展示钛圆柱表面形态的变化。
    注：使用 FEI Quanta FEG 250 仪器。
  2. 将样品放入 SEM 前不要进行镀膜处理。共包含 13 个组，分别为 1 个对照组、6 个半导体激光组和 6 个 Er,Cr:YSGG 激光组。对于对照组，不进行任何处理，仅通过 AFM 和 SEM 获取表面图像。
  3. 从 13 个实验组中每组随机选取一个圆柱样品，将其插入 SEM 设备中。注意记录样品在平台上的位置及样品编号，以避免样品混淆。
  4. 将钛圆柱放入 SEM 设备时，确保其平面朝上。使用低真空模式进行分析，设置腔体压力为 60 Pa。
  5. 待设备完全准备就绪后，从平面表面的随机位置分别以 250 倍、1000 倍和 5000 倍放大倍数采集图像。对所有样品重复此操作。
    注：当 SEM 设备完成抽真空后，即可开始图像采集。
  6. 进行 AFM 测量时，从每个实验组中随机选取一个钛圆柱样品，在轻敲模式下进行测量。
    1. 将钛圆柱放入 AFM 仪器中，盖上顶盖，使仪器探针位于样品上方。检查仪器窗口发出的红光是否照射在待成像表面。
    2. 将电压设为 2，使用“自动降落”（Auto land）按钮将探针靠近样品，然后按下 开始扫描 按钮启动扫描。
  7. 对每个样品采集 5 µm × 5 µm 的数字图像，并以慢速扫描速率（1 Hz）进行记录。记录 AFM 仪器从钛圆柱平面表面获取的图像。AFM 仪器可可视化 25 µm2 的区域。

6. 表面粗糙度的测量

注意：此处使用了日本东京三丰公司（Mitutoyo）的 Surftest SJ 201 设备。

  1. 将表面粗糙度仪的分辨率设为 0.01 mm，横向长度设为 3.0 mm，金刚石记录针尖直径设为 5 µm。将测量速度设为 0.5 mm/s，以测定 Ra 值。
  2. 使用夹具固定钛圆柱体，利用预紧装置从侧面夹持钛圆柱体。将表面粗糙度仪的探针与钛表面接触。
  3. 按下“开始”按钮，保存测得的 Ra 值。在每个圆柱体的平面上沿不同方向重复测量 5 次（图 2）。为实现不同方向的测量，借助预紧装置使钛圆柱体绕自身旋转。沿钛圆柱体的整个长度重复该过程。

设备设置、激光应用、分析阶段；SEM、AFM、轮廓仪分析；科学示意图。
图2：研究分组流程图。（1A）钛圆柱体侧视图，（1B）顶视图，（1C）底视图 请点击此处查看此图的放大版本。

7. 统计分析

  1. 使用 SPSS-Windows 统计软件包程序进行统计分析，并应用 Kruskal-Wallis 检验和 Mann-Whitney 检验。设定统计置信水平为 95%（α = 0.05）。

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

根据20秒和40秒应用时间的评估，观察到具有统计学显著性差异。激光作用40秒的钛圆柱表面温度变化大于激光作用20秒的表面（p=0.037；图3）。

箱线图；温度随时间变化；比较分析；实验数据分析。
图3：所有样品的温度随时间的变化情况。 箱体上下延伸的线条表示数据的最小值和最大值。箱体内水平线表示数据的中位数。圆形标记为异常值。
a=与40 s组相比具有统计学显著性差异。（p<0.05）
 

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

目前，关于治疗种植体周围炎时如何最佳地对种植体表面进行去污染，学界正在进行广泛讨论。既往研究已提出可采用局部或全身用药、激光处理、机械和/或化学清洁以及种植体成形术等方法。本研究结果表明，所有测得的温度升高均未超过10 °C这一关键安全阈值。13。然而，请注意这是一项 体外 尽管该研究无法完全复制临床条件，但观察到使用Er,Cr:YSGG激光和半导体激光会导致种植体表面形貌发生熔融改变和微孔形成，而表面粗糙度未发生变化。

由于会产生表面效应，Ho:YAG 和 Nd:YAG33 激光用于去污被认为不适宜；然而，Er,Cr:YSGG 激光34 和半导体激光18 被发现对此目的有效。半导体激光可通过 TGF-β1 信号通路诱导 HBD-2 表达，从而促进周围组织的愈合。该研究显示，在钛表面以之字形运动方式应用 Er,Cr:YSGG 激光后，表面粗糙度和...

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究中使用的钛圆柱由 Naxis Implant 公司生产。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
原子力显微镜ezAFM紧凑型原子力显微镜型号
二极管BiolaseEpic 10，波长 940 nm
E3 探针光纤直径：300 µm，光纤长度：9 mm
Er,Cr:YSGG 激光器Iplus波长 2780 nm
表面粗糙度测量仪MitutoyoSurftest SJ-201 型号
RFPT-14 探针探针外径：580 µm，探针长度：14 mm
扫描电子显微镜FEIQuanta FEG 250 型号
支架定制设计Rhinoceros 软件，Flamix PLA 线材，Bambulab X1C 设备
温度计Keithley2000 系列型号，K 型热电偶探头
钛圆柱体Naxis高度 10 mm，直径 5 mm，SLA 表面，钛材质

参考文献

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