本方案描述了一种标准化的体外方法，用于评估在使用制造商推荐的软组织切割参数条件下，铒、铬：钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）激光和半导体激光照射过程中，钛材料的热效应及表面变化。通过直接接触式测温与多模式表面分析，提供了一套可重复的实验流程，以表征不同波长激光与钛相互作用的特性。
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研究文章
使用铒、铬：钇钪镓石榴石激光和半导体激光评估激光与钛相互作用的体外方法
* These authors contributed equally
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摘要
摘要
本研究提出了一种标准化的体外实验方案，用于评估在制造商推荐的软组织参数下，铒、铬：钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）激光和半导体激光照射过程中钛材料的热反应及其表面变化。采用定制的4级钛圆柱体，其内部设有通道，可通过嵌入式热电偶直接测量温度，从而实现对激光诱导热变化的可控评估。为确保几何一致性并最小化操作者依赖性变异，使用3D打印的稳定系统来标准化照射角度、扫描轨迹和激光头移动方式。激光照射后的表面形貌改变通过多种互补技术进行定性和定量表征，包括采用轮廓仪进行粗糙度分析、扫描电子显微镜进行微形态学评估，以及原子力显微镜进行纳米级地形分析。半导体激光照射引起与输出功率和照射时间相关的温度升高，最高参数组合下的温升超过了临床公认的10 °C安全阈值。相比之下，所有测试的Er,Cr:YSGG激光条件下的温升均低于该限值，表明其热行为具有明显的波长依赖性。两种激光系统均导致表面粗糙度显著高于未处理的对照表面，而成像分析进一步揭示了微米和纳米尺度形貌上存在波长依赖性的差异。总体而言，该实验方案为系统研究激光与钛材料相互作用提供了框架，有助于在邻近种植体结构进行激光辅助软组织操作时，实现更安全、基于证据的参数选择。
引言
在种植体二期手术和种植体周围黏膜管理过程中，常采用激光辅助软组织处理，此时照射通常在钛组件附近进行1,2。在这些临床情况下，了解钛的热行为及其表面可能发生改变的情况至关重要，因为温度过度升高或表面结构破坏可能危及种植体周围骨组织的完整性以及种植体的长期稳定性3,4。现有文献对不同波长激光与钛相互作用提供了有价值的见解，但由于方法学上的差异，例如照射几何形状、接触模式、角度以及表面评估技术的不同，使得建立可重复且具有临床适用性的安全阈值仍面临挑战5,6,7。
近年来，研究日益关注不同激光波长对钛的热效应和表面效应，尤其是在种植体周围软组织手术中的应用。已有研究表明，半导体激光器会在钛表面引起与功率和时间相关的温度升高及表面改变，某些参数设置甚至超过临床相关的热阈值，从而引发人们对种植体周围组件热安全性的担忧8,9,10,11。相比之下，基于铒的激光器（包括Er,Cr:YSGG系统）表现出波长特异性的相互作用，其特征是强烈吸收水分并产生流体动力学消融机制，在适当条件下可能限制过度的热传递和表面损伤12,13,14。尽管已有上述进展，但由于实验设计差异以及缺乏标准化的方法学，目前报道的结果仍存在较大异质性。
既往研究已探讨了温度变化9,10,11,15、激光诱导的表面改性14,16,17，或钛光学吸收的特定方面7，但许多实验模型缺乏对光纤角度、探头表面接触或扫描均匀性等参数的标准化控制。这些差异可能影响能量传递，并使不同研究之间的比较变得复杂。此外，多项报告中采用单一成像模式，限制了检测钛表面波长依赖性微米及纳米级改变的能力16,18。因此，更综合的分析框架可能有助于提高激光与钛相互作用研究的可解释性与临床相关性12。
为弥补这些方法学上的不足，本研究提出了一种标准化的体外实验方案，用于在临床相关且符合制造商推荐的软组织切割参数条件下，评估铒、铬：钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）激光和半导体激光与钛表面的相互作用。研究假设，在采用制造商推荐的软组织设置参数操作时，Er,Cr:YSGG激光和半导体激光会对钛材料产生波长依赖性的、显著不同的热响应及表面改性效果。该方案采用定制加工的4级钛圆柱体，其内部设有热电偶通道，可直接接触测量辐照前后的基线温度与温度变化，从而最大限度减少与外部探针相关的常见测量伪影。
一种刚性3D打印稳定系统可维持固定的辐照角度、可控的手柄运动轨迹以及一致的接触模式，从而减少操作者依赖性带来的变异，并确保能量递送的可重复性。
本方案的一个关键优势在于其多模态评估策略，结合了热学评估、轮廓法粗糙度分析以及高分辨率扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）成像。这种综合方法能够同时表征宏观热行为、微米尺度的形貌变化以及纳米尺度的表面拓扑结构改变，相较于早期研究中常用的单参数技术，提供了更为全面的评估结果9,10,15,18。通过提供一种可视化且方法学上可控的操作流程，本方案建立了一个可重复的平台，用于比较铒、铬：钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）激光与半导体二极管激光（diode laser）与钛表面相互作用的效果。
总体而言，本文介绍的方法旨在为激光辅助二期种植体暴露及其他种植体周围软组织手术建立具有临床相关性的、特定波长的安全阈值10,11,13。
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方案
钛试样的制备
4级钛圆柱体（5 mm × 10 mm，大颗粒喷砂酸蚀处理） (SLA) 表面用70%乙醇清洁30秒。将试样置于洁净表面，室温下晾干10分钟。检查每个圆柱体的平坦辐照面，确认无可见碎屑。将每个圆柱体放入3D打印的稳定支架中，使平坦面朝上，侧向热电偶槽可接触。试样制备和清洁过程中产生的所有乙醇废液及任何受污染的耗材均按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。实验过程中使用放置在实验装置旁的数字温度计持续监测环境温度。激光应用期间佩戴波长匹配的防护眼镜。从工作区移除所有反光物体，激光系统开机后需完成内部自检程序方可使用。（图1）。
图1：用于照射的激光系统。（A）半导体激光器。（B）Er,Cr:YSGG 激光器。请点击此处查看该图的放大版本。
随机化与分组
所有钛圆柱体均编号，并通过计算机生成的随机化列表随机分配至13个研究组，包括六个Er,Cr:YSGG组、六个半导体激光组和一个对照组。各组分配及激光参数详见表1。每个样本均标注唯一的识别编码，以确保在整个实验过程中根据其所属组别实现可追溯性。
| 组别标识 | 使用的激光系统 | 样本数量 | 应用功率设置 (W) | 照射时间 (s) |
| 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 | Er,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 | 对照组 | 8 |
表1：实验分组与激光参数概述。
3D打印支架中样本的固定
进行照射时，将3D打印的固定支架固定于刚性托盘上，以防止激光应用过程中发生移动。每个钛圆柱体均垂直插入其指定的插槽中，平面朝向照射路径。该支架保持15°的固定照射角度，使激光头与钛表面之间的相互作用几何关系标准化。通过沿支架通道引导手柄，确保所有样本的照射轨迹一致。
热电偶放置与基础温度测量
将K型热电偶插入每个钛圆柱体的中央通道，直至达到稳定的金属与金属接触（图2）。热电偶连接至设置为温度模式（°C）的数字万用表。基础温度在温度稳定后记录，稳定定义为温度波动在0.1 °C以下并持续30秒。
图 2：带热电偶通道的钛制圆柱体。（A）侧视图。（B）反向侧视图。（C）热电偶通道的尖端视图。（D）冠状视图。请点击此处查看此图的放大版本。
Er,Cr:YSGG 激光照射
Er,Cr:YSGG 激光照射在持续气水喷雾条件下进行。激光头以固定 15 ° 角直接接触钛表面。激光头以 1 cm/s 的速度沿 5 mm 的直线路径扫过。由于照射是在直接接触条件下进行的，有效激光作用直径约为制造商规定的 500 µm 激光头直径。样品分别以 2.75 W、3.75 W 或 4.75 W 的功率照射 20 秒或 40 秒。
半导体激光照射
采用连续波模式，使用直径为400 µm的光纤以15°的固定角度直接接触钛表面进行半导体激光照射。光纤以1 cm/s的速度沿5 mm的直线路径扫描。钛表面上的有效接触面积由直接接触模式下所用光纤的直径决定。样品分别以1.2 W、1.7 W或2.2 W的功率照射20 s或40 s。
温度记录与 ΔT 的计算
激光照射后，立即使用连接至数字万用表的热电偶记录照射后的温度。温度变化（ΔT）计算为照射后温度与基线温度之间的差值。每个样本仅照射一次，不在同一样本上重复进行激光照射。
轮廓仪表面粗糙度测量
热处理测量后，使用无油压缩空气清洁辐照表面。将每个样品固定在轮廓仪载物台上，采用4 mN的触针力、0.5 mm/s的扫描速度和0.8 mm的截止长度，对2 × 2 mm区域进行扫描。每个样品进行五次扫描，并计算平均Ra值（图3）。
图3： 实验流程。 样品制备、热电偶放置、激光辐照、温度记录、轮廓测量、扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析。 请点击此处查看该图的放大版本。
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结果
温度分析
在所有掺铒、铬：钇钪镓石榴石（Er,Cr:YSGG）组中，温度变化均低于10 °C的安全阈值，变化范围介于–2.65 °C至+2.20 °C之间。输出功率对温度变化具有显著影响（p < 0.001），而照射时间则无显著影响（p = 0.898）。最低温度出现在E2组（2.75 W–40 s：–2.65 °C）。相比之下，半导体激光照射导致温度显著升高（3.25–15.55 °C），且输出功率和照射时间均具有显著影响（两者p值均< 0.001）。温度升高最显著的是D6组（2.2 W–40 s：15.55 °C），超过了安全阈值（图4）。
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讨论
本研究表明，激光与钛的相互作用显著受到波长、输出功率以及功率与照射时间组合效应的影响。Er,Cr:YSGG 激光照射始终产生的温度升高低于临床公认的与热损伤相关的 10 °C 阈值3,4，而半导体激光在 2.2 W 功率下，无论照射 20 秒或 40 秒，其热负荷均逐步增加并超过该限值。这些结果与铒激光的水动力消融机制相一致，即强水吸收有助于微爆炸性消融和高效能量耗散12。相比之下，半导体激光由于具有更深的光穿透性和较低的水亲和性，会在钛表面产生更集中的热效应13,17。
观察到的热效应和表面反应与方案中定义的实验条件密切相关。直接接触照射可标准化激光探头或光纤与钛表面之间的能量传递，从而减少因工作距离和光束发散角变化带来的差异。保持固定的照射角度可确保几何条件的一致性，而几何条件已知会影响金属基底上的...
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披露
作者声明本研究不存在任何财务或个人利益冲突。本研究在阿克德尼兹大学的学术设施内独立开展。所有激光系统和分析仪器均仅用于机构科研活动中的科学与教育目的。没有任何商业实体影响本研究的设计、数据采集、分析或解释。本论文的内容撰写由作者独立完成并承担责任。
致谢
作者感谢阿克德尼兹大学牙周病学系为本研究提供了激光系统、实验室基础设施以及成像设备的使用权限。作者还感谢技术团队在样本制备、热学测量以及扫描电镜/原子力显微镜成像流程中提供的协助。本研究未接受任何外部商业资金或行业赞助支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D打印稳定支架 | 定制 | 定制 / 不适用 | 专为固定辐照角度和手柄路径而设计的3D打印稳定装置。 |
| 原子力显微镜（EzAFM-Compact） | Nanomagnetics Instruments，英国牛津 | URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm | 用于纳米级表面形貌和粗糙度表征。 |
| 数字多用表（Keithley 2000，6½位） | Keithley Instruments | URL: https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning | 与K型热电偶配合使用，用于温度测量。 |
| Epic半导体激光器（940 nm） | Biolase，美国加利福尼亚州尔湾 | URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/ | 连续波半导体激光系统（940 nm）；输出功率可调范围为0.5–10 W；用于软组织模式辐照。 |
| Er,Cr:YSGG激光系统（Waterlase iPlus，2780 nm） | Biolase，美国加利福尼亚州尔湾 | URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/ | 使用MZ-5 Ziptip（9 mm）的Er,Cr:YSGG激光器（2780 nm）；在牙龈切除模式下运行，并持续使用空气–水喷雾。 |
| 乙醇，70%（v/v） | Ulusoy Kozmetik | URL: https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0 | 用于样本表面清洁 |
| EzAFM控制与分析软件 | Nanomagnetics Instruments，英国牛津 | URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm | 用于原子力显微镜的控制、数据采集和图像处理。 |
| IBM SPSS Statistics 25 | IBM Corp.，美国纽约州阿蒙克 | 版本25 | 用于统计分析，包括正态性检验、非参数比较和双因素方差分析。 |
| K型热电偶 | 未指明 | 不适用 | 用于温度采集的K型热电偶探针。 |
| 显微镜控制软件（Quanta FEG 250） | Thermo Fisher Scientific（原FEI），美国俄勒冈州希尔斯伯勒 | URL: https://www.thermofisher.com | 用于扫描电子显微镜图像采集和仪器控制。 |
| MZ-5 Ziptip（9 mm） | Biolase | URL: https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md | 与Er,Cr:YSGG手柄配合使用的导头。 |
| 无油压缩空气 | 未指明 | 不适用 | 用于清除钛表面的碎屑。 |
| 石蜡 | MumveMum（通过Trendyol销售） | URL: 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。 |
| 表面粗糙度仪（Surftest SJ-201） | Mitutoyo，日本东京 | URL: https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV | 用于在2 × 2 mm扫描区域内进行Ra值测量。 |
| 扫描电子显微镜（Quanta FEG 250） | Thermo Fisher Scientific（原FEI），美国俄勒冈州希尔斯伯勒 | URL: https://www.thermofisher.com | 在250×–5000×放大倍数下进行SEM成像。 |
| 导头E4，400 µm，4 mm | Biolase | URL: https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty | 用于半导体激光辐照的光纤。 |
| 钛圆柱体（4级，SLA表面，5×10 mm） | Naxis，德国 | 定制 | 定制圆柱体，内置5 mm通道用于放置热电偶。 |
参考文献
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