利用ER、Cr：YSSG和二极管激光评估激光与钛相互作用的体外方法

Summary

本协议描述了一种标准化的体外方法，用于评估钛在Er、Cr：YSGG和二极管激光照射过程中的热和表面效应，使用制造商推荐的软组织切割设置。直接接触热测和多模态表面分析为表征波长依赖激光钛相互作用提供了可重复的工作流程。

Abstract

本研究提出了一套标准化的体外实验方案，用于评估钛在Er、Cr：YSGG和二极管激光照射下的热响应和表面变化，且在制造商推荐的软组织环境下进行。带有内部通道的定制4级钛合金气瓶支持通过嵌入热电偶实现直接温度测量，从而可控评估激光引起的热变化。为确保几何一致性并最小化操作员变异，采用3D打印稳定系统标准化辐照角度、扫射轨迹和翼尖运动。激光照射后的表面变化通过多种互补技术定量和定性地表征，包括用于粗糙度分析的剖面测量、用于微观形态学评估的扫描电子显微镜和用于纳米尺度地形评估的原子力显微镜。二极管激光照射产生了功率和时间相关的温度升高，最高参数组合超过临床认可的安全阈值10°C。相比之下，所有测试的Er，Cr：YSGG条件均低于该限值，表明存在明显的波长相关热行为。两种激光系统都诱导了表面粗糙度相对于未处理控制面显著增加，而成像分析显示微观和纳米尺度形态在波长相关方面存在差异。总体而言，该方案为激光-钛相互作用的系统性研究提供了实验框架，并可能支持在植入物附近进行激光辅助软组织手术时更安全、更有证据支持的参数选择。

Introduction

激光辅助软组织手术广泛应用于第二阶段植入手术和植入体周围黏膜管理，这些治疗通常在^{钛合金成分}附近进行照射^1,2。在此类临床情况下，了解钛的热行为及表面可能发生的改变至关重要，因为过高温度抬高或表面破坏可能危及植体周围骨骼完整性和长期植体稳定性 ^3,4。现有文献为波长依赖激光钛的相互作用提供了宝贵见解，但方法学上的差异，如辐照几何形状、接触模式、角度和表面评估技术的差异，为建立可重复且临床适用的安全阈值5^、6、7带来了挑战。

近期研究越来越多地关注不同激光波长对钛的热和表面效应，尤其是在植入体周围软组织手术中。二极管激光器已被证明能在钛上产生功率和时间相关的温度提升及表面变化，某些设置甚至超过临床相关的热阈值，这引发了对植入元件^{8、9、10、11}附近热安全的担忧。相比之下，铒基激光器，包括Er，Cr：YSGG系统，表现出波长特异性相互作用，表现为强吸水和水动力学消融机制，在适当条件下可限制过度热传递和表面损伤^12,13,14。尽管取得了这些进展，但由于实验设计差异和缺乏标准化方法，报告的结果仍然存在异质性。

此前的研究曾考察过^{温度变化9、10、11、15}、激光诱导的表面改性^14、16、17，或钛光学吸收7的特定^方面，但许多实验模型缺乏对光纤角度、尖端接触或扫度均匀性等参数的标准化控制。这些差异会影响能量传递，使不同研究的比较更加复杂。此外，多份报告中使用单模态成像限制了检测钛表面波长依赖微和纳米尺度变化的能力^16,18。因此，一个更为整合的分析框架可能提升激光钛相互作用研究的可解释性和临床相关性¹²。

为弥补这些方法学上的不足，本研究引入了一套标准化的体外实验方案，以在临床相关、制造商推荐的软组织切割参数下，评估Er、Cr：YSGG和二极管激光与钛表面的相互作用。假设Er、Cr：YSSG和二极管激光在制造商推荐的软组织设置下工作时，会产生明显的、波长相关的钛合金热响应和表面改性差异。该协议采用定制加工的4级钛合金圆柱体，内部设有热电偶通道，实现基线及照射后温度的直接接触测量，并最大限度地减少外部探针常见的伪影。

刚性3D打印稳定系统保持固定的辐照角度、受控的手柄轨迹和一致的接触模式，减少操作员依赖性波动，确保能量传递的可重复性。

该协议的一个关键优势是其多模态评估策略，结合了热评估、轮廓粗糙度分析以及高分辨率的扫描电子显微镜和AFM成像技术。这种综合方法能够同时表征宏观热行为、微观形态变化和纳米尺度的地形变化，比早期研究中常用的单参数技术（9,10,15,18）提供了更全面的评估。通过提供可直观演示且方法论控制的工作流，该协议建立了一个可重复的平台，用于比较Er、Cr：YSSG和二极管激光与钛表面的相互作用。

总体而言，本文提出的方法旨在支持制定具有临床相关性、波长特异性的安全阈值，适用于激光辅助第二阶段植入物暴露及其他植入体周围软组织手术^10、11、13。

Protocol

钛样品的制备
4级钛合金圆筒（5毫米×10毫米，喷砂大颗粒酸蚀 （SLA）表面）用70%乙醇清洗30秒。标本被放置在干净的表面上，并风干10分钟。每个圆柱体的平坦辐照面被检查，以确认没有可见的碎片。每个圆柱体都被放置在3D打印的稳定支架中，平面朝上，侧热电偶槽可接触。所有在样品制备和清洗过程中产生的乙醇废弃物及任何受污染消耗品均按照机构实验室废物管理指南收集并处置。

环境与安全准备
所有实验均在27°C的受控实验室环境中进行。 整个实验过程中，环境温度通过放置在实验装置旁的数字温度计持续监测。激光应用时使用了波长相符的防护眼镜。工作区内的反光物体被移除，激光系统被启动，允许在使用前完成内部自我检查程序。（图1）

图1：用于照射的激光系统。 （A）二极管激光器。 （B）呃，CR：YSGG激光。 请点击此处查看该图的放大版本。

随机化与组别分配
所有钛圆柱体均被编号并随机分配到13个研究组，使用计算机生成的随机列表，包括6个Er、Cr：YSGG组、6个二极管组和1组对照组。组分配和激光参数总结见 表1。每个标本都被标记为独特的识别代码，以确保在整个实验过程中可追溯，符合其分配的组别。

组别命名	激光系统	标本数量	施加功率设置（W）	曝光时间
D1	二极管	8	1.2 W	20
D2		8	1.2 W	40
D3		8	1.7 W	20
D4		8	1.7 W	40
D5		8	2.2 W	20
D6		8	2.2 W	40
E1	呃，Cr：YSGG	8	2.75 W	20
E2		8	2.75 W	40
E3		8	3.75 W	20
E4		8	3.75 W	40
E5		8	4.75 W	20
E6		8	4.75 W	40
C	控制	8

表1：实验组及激光参数概述。

3D打印支架中标本的稳定
照射时，3D打印的稳定支架固定在刚性托盘上，以防止激光照射时移动。每个钛合金圆柱体垂直插入其指定槽口，平面朝向照射路径。支架保持15°的固定辐照角，标准化了激光头与钛表面之间的相互作用几何形状。握手沿着固定通道引导，以确保样品间的照射轨迹一致。

热电偶放置与基线温度测量
在每个钛圆筒的中央通道中插入一个K型热电偶，直到实现金属与金属的稳定接触（见图2）。热电偶连接到一个设置为温度模式（°C）的数字万用表。基线温度记录在稳定后，定义为温度波动低于0.1°C、持续30秒的时期。

图2：带热电偶通道的钛圆筒。 （A）横向视图。（B）反向横向视图。（C）热电偶通道的顶端视图。（D）日冕视图。 请点击此处查看该图的放大版本。

呃，CR：YSGG激光照射
呃，Cr：YSGG激光照射是在连续空气和水喷射条件下进行的。激光头以固定的15°角直接接触钛表面。尖端沿5毫米的线性路径以1厘米/秒的速度扫过。由于照射是在直接接触条件下进行的，激光的有效相互作用直径大致对应于制造商指定的探针直径500微米。样品被照射2.75瓦、3.75瓦或4.75瓦的功率-时间组合，持续20秒或40秒。

二极管激光照射
二极管激光照射采用连续波模式，使用400微米光纤以固定角度15°与钛表面直接接触。光纤沿着5毫米的线性路径以1厘米/秒的速度扫过。钛表面的有效接触足迹由直接接触模式下使用的纤维直径决定。样品被照射功率时间组合，分别为1.2瓦、1.7瓦或2.2瓦，持续20秒或40秒。

温度记录与ΔT计算
激光照射后立即，使用连接数字万用表的热电偶记录照射后的温度。温度变化（ΔT）计算为辐照后温度与基线温度的差值。每个标本仅照射一次，且未对同一标本重复激光照射。

轮形测量表面粗糙度测量
经过热测量后，照射表面被无油压缩空气清洗。每个样品安装在轮廓仪台上，使用4毫牛的唱针力、0.5毫米/秒的扫描速度和0.8毫米的截止长度，扫描面积为2×2毫米。每个标本进行了五次扫描，计算了平均Ra值（见图3）。

图3： 实验工作流程。 样品制备、热电偶放置、激光照射、温度记录、剖面测量、扫描电子显微镜（SEM）和自动电磁分析（AFM）等。 请点击此处查看该图的放大版本。

Results

温度分析
在所有Er，Cr：YSGG组中，温度变化均低于10°C安全阈值，温度范围在-2.65°C到+2.20°C之间。 功率对温度变化有显著影响（p < 0.001），而照射持续时间无显著影响（p = 0.898）。最低温度出现在E2（2.75 W–40秒：–2.65°C）。相比之下，二极管激光照射产生的温度升高显著（3.25–15.55°C），功率和持续时间均显著影响（两者均为p <0.001）。最大升幅出现在D6（2.2 W–40秒：15.55°C），超过安全阈值（见图4）。

图4：...

Discussion

该研究表明，激光钛的相互作用受到波长、输出功率以及功率和曝光持续时间综合影响的强烈影响。呃，Cr：YSGG照射持续导致温度升高低于临床认可的10°C阈值，即热骨损伤^3,4，而二极管激光照射则显示出递进式热负荷，超过该限值，20秒和40秒均超过2.2瓦。这些发现与铒激光的水动力学消融机制相符，强吸水促进微爆消融和高效能量耗散¹²。相比之下，二极管照射以更深的光学穿透性和极低的水亲和力为特征，在钛表面产生更集中的热效应^13,17。

观察到的热响应和表面响应与实验方案中定义的实验条件密切相关。直接接触照射使激光尖端或光纤与钛表面之间的能量传递标准化，减少了与距离距离和光束散度相关的变异性。保持固定的辐照角度确保了几何一致性，这已知会影响金属基...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D打印稳定支架	定制	定制/不适用	3D打印稳定单元设计用于固定辐照角度和手部路径。
原子力显微镜（EzAFM-Compact）	纳米磁学仪器，英国牛津	网址：https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	用于纳米尺度表面地形和粗糙度表征。
数字万用表（Keithley 2000， 6½数字）	基思利仪器	网址：https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	与K型热电偶用于温度测量。
Epic二极管激光器（940纳米）	Biolase，美国加利福尼亚州尔湾	网址：https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	连续波二极管激光系统（940纳米）;可调0.5&Ndash;输出10瓦;用于软组织模式照射。
呃，CR：YSGG激光系统（Waterlase iPlus，2780 nm）	Biolase，美国加利福尼亚州尔湾	网址：https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	呃，Cr：YSGG激光器（2780纳米），配合MZ-5 Ziptip，9毫米;以牙龈切除模式进行，持续进行气流和无阻冲刺;水花喷射。
乙醇，70%（v/v）	Ulusoy Kozmetik	网址：https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	样品表面清洁
EzAFM 控制与分析软件	纳米磁学仪器，英国牛津	网址：https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	用于AFM控制、数据采集和图像处理。
IBM SPSS 统计 25	IBM公司，美国纽约州阿蒙克	版本25	用于统计分析，包括正态性检验、非参数比较和双因子方差分析。
K型热电偶	未具体说明	不适用	用于温度获取的K型热电偶探头。
显微镜控制软件（Quanta FEG 250）	Thermo Fisher Scientific（前身为FEI），美国俄勒冈州希尔斯伯勒	网址：https://www.thermofisher.com	用于SEM图像采集和仪器控制。
MZ-5 Ziptip（9毫米）	生物化酶	网址：https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	提示：搭配 ER，CR：YSGG 手枪。
无油压缩空气	未具体说明	不适用	用于清除钛合金表面的杂质。
石蜡	MumveMum（通过Trendyol出售）	网址：https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	用于涂覆热电偶导线以减少热干扰。
轮廓仪（Surftest SJ-201）	日本东京三户户	网址：https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf？srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	用于2&时间的Ra测量;扫描面积为2毫米。
扫描电子显微镜（Quanta FEG 250）	Thermo Fisher Scientific（前身为FEI），美国俄勒冈州希尔斯伯勒	网址：https://www.thermofisher.com	SEM成像速度为250×–5000及以上;放大倍率。
Tips E4、400 和 micro;M，4毫米	生物化酶	网址：https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	用于二极管激光照射的光纤。
钛合金圆柱体（四级，SLA表面，5倍以上;10毫米）	纳克西斯，德国	定制	定制气缸，内部槽为5毫米，用于热电偶。