本方案通过评估二极管、铥和铒激光在体外Enterococcus faecalis根管感染模型中的抗菌效果及根面外部温度，比较三种激光用于根管内消毒的抗菌效能与安全性，以确定安全有效的照射参数。
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研究文章
铥激光、铒激光和半导体激光用于根管内消毒：抗Enterococcus faecalis 离体活动性与热安全性
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2026年9月11日
本文内容
摘要
摘要
激光辅助冲洗已成为根管消毒的一种有前景的辅助手段；然而，在标准化实验条件下直接比较不同激光系统的证据仍然有限。本项离体研究比较了808 nm半导体激光、1940 nm铥激光和2940 nm铒激光在对抗Enterococcus faecalis（粪肠球菌）时的抗菌效果及热安全性。采用临床相关照射参数处理标准化的人类感染根管样本。通过菌落形成单位（CFU）减少量和细菌生长曲线分析评估抗菌效果，同时通过测量激光照射期间根管外表面温度变化来评估热安全性。三种激光系统均表现出优于生理盐水对照组的抗菌活性。在30 mJ、30 s条件下，铒激光实现了最高的平均抑菌率（99.0%），同时使根管外表面温度升高保持在公认的10°C热安全阈值以下。铥激光表现出相当的抗菌活性，但在最高照射参数下超过了热安全阈值。在测试条件下，半导体激光的抗菌效果较低，且温度升高幅度大于铥激光和铒激光。在本项离体模型的局限性范围内，2940 nm铒激光在抗菌效果与热安全性之间表现出最理想的平衡，是一种具有前景的根管内消毒辅助方法。
引言
牙髓炎和根尖周炎的主要病因是根管系统的细菌感染1。根据一项研究，Enterococcus faecalis 已被确定为根管治疗后患有慢性或复发性感染患者中最主要的细菌分离株2,3。该细菌具有多种毒力因子，包括生物膜形成能力；它可侵入牙本质小管，深度可达800 µm，并能在营养受限的条件下存活2,3。这些特性使其对根管治疗过程中常用的标准根管内消毒剂以及机体的天然防御机制均具有抵抗能力。因此，无法彻底清除根管系统中残存的E. faecalis 是导致根管治疗失败的重要原因之一4。
目前的根管治疗结合了通过器械进行的机械清创和化学冲洗，以帮助清除根管系统中的微生物5。尽管机械预备在减少细菌数量方面非常有效，但在复杂的根管解剖结构中仍有许多区域无法仅通过器械触及5。因此，化学冲洗剂在根管系统消毒中发挥着重要作用。然而，研究显示，即使是最强效的化学试剂也无法完全清除细菌生物膜6。此外，某些在牙髓治疗过程中使用的化学试剂可能会损害牙本质的结构完整性6,7。为了提高消毒效果，并更彻底地清除根管系统中的细菌生物膜，已探索了多种激活化学冲洗剂的方法。其中，激光激活冲洗已成为较有前景的替代方法之一8。二极管激光、铥激光和铒激光也已被评估其产生光热效应和光机械效应的潜力，这些效应可破坏细菌细胞壁和生物膜9。
不同类型的激光与组织之间的相互作用因波长而异。半导体激光器通常发射波长在808至980 nm范围内的光，可被生物组织中的发色团吸收，从而产生光热反应，使蛋白质变性并杀灭细菌10。铥激光器的工作波长为1940 nm，对水具有高度吸收性。因此，研究表明铥激光器非常适合在湿润环境中使用，包括充满冲洗液的根管11。由于对水的高吸收性，铥激光器在用于冲洗后的根管时可迅速加热并汽化液体，汽化过程产生的冲击波可能有助于破坏细菌生物膜。铒激光器，特别是工作波长为2940 nm的类型，在牙科激光中对水的吸收系数最高12。在冲洗后的根管中，这一特性可引发剧烈的汽化和冲击波，从而通过机械作用剥离并杀灭细菌，同时可能减少热量向周围牙本质的传导13。
尽管激光技术在牙髓治疗领域的应用日益受到关注，但针对不同激光系统的最佳临床参数仍有许多未知之处。目前临床应用的方法通常基于经验或制造商推荐的指南，缺乏充分的循证依据14。此外，迄今为止大多数研究主要评估了激光的抗菌效果；然而，激光治疗的一个重要方面却相对受到较少关注：即对牙周组织造成热损伤的风险。普遍认为，牙根外表面温度升高超过10°C时，可能导致牙周膜及周围骨组织发生永久性损伤15。目前尚无在受控实验条件下，系统比较不同激光系统在抗菌效能与热安全性两方面表现的公开发表研究。
本项离体研究的主要目的是评估并比较三种激光系统——808 nm 半导体激光、1940 nm 钬激光和 2940 nm 铥激光——在清除根管壁上粪肠球菌（E. faecalis）生物膜时的抗菌效果与热安全性。为确定能够实现有效杀菌同时保障热安全性的参数组合，本研究评估了具有临床意义的照射参数。预计这些结果将有助于临床医生选择安全、有效的激光辅助根管消毒方案。
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方案
本研究遵循同济大学医学院上海市第四人民医院的伦理标准，并经机构审查委员会批准（批准号：2026013-001）。研究中使用的人体离体牙来自因正畸或牙周原因接受拔牙治疗的患者。在样本采集前，所有参与者均签署了书面知情同意书。本研究未为研究目的实施任何额外的临床干预。本研究遵循机构关于使用人体离体牙的相关规定进行。
标本制备与筛选标准
本研究共收集了141颗近期拔除的单根恒牙（下颌切牙和前磨牙），来源于同济大学附属上海市第四人民医院口腔科。所有牙齿均因正畸或牙周原因被拔除，并已获得每位患者的知情同意。纳入标准包括：根据牙周探针测量，牙根长度至少为10毫米；牙齿结构完整，无龋损或裂纹；根尖发育完成；根据施耐德法（Schneider's method）测定，根管弯曲度小于10度。排除标准包括：具有多个根管、根管钙化、内部吸收或既往接受过牙髓治疗的牙齿。拔除后，使用牙周刮治器清除所有可见的牙石和软组织残留物。牙齿随后保存在0.9%生理盐水中，置于4°C环境下以防止脱水，所有实验均在拔牙后三个月内完成。标本按照预先设定的交替分配序列分配至各实验组。具体而言，标本按顺序交替分配至各组，直至每组达到所需样本量。本研究未进行正式的a priori功效分析。样本量的选择依据为既往类似的ex vivo研究、所评估的照射参数组合数量以及符合条件的拔牙样本的可获得性。
根管预备与消毒
在持续水冷却条件下，使用低速金刚石锯在釉质牙骨质交界处切除每颗牙齿的牙冠，以获得标准的10 mm根段。使用10号K锉确定工作长度，其长度为距根尖孔1 mm。根据制造商说明，采用ProTaper Universal镍钛旋转系统进行根管预备，按S1、S2、F1、F2和F3的顺序进行，直至达到F3号根尖预备尺寸。在预备过程中，每次使用旋转锉后均用约2 mL的5.25%次氯酸钠冲洗根管，每个根管总冲洗量约为10 mL。最后依次用5 mL的17% EDTA冲洗1分钟，再用5 mL无菌生理盐水冲洗。用流动性树脂复合材料封闭根尖孔，以形成封闭的根管系统。预备后的牙根经121°C高压蒸汽灭菌20分钟，随后保存在4°C的无菌磷酸盐缓冲液（PBS）中，并在灭菌后24小时内接种细菌。
细菌菌株及培养条件
使用粪肠球菌（E. faecalis）ATCC 29212建立感染根管模型。该菌株在脑心浸液（BHI）琼脂培养基中于37°C有氧条件下培养24小时。挑取单个菌落接种至BHI液体培养基中，于37°C培养18–24小时。通过600 nm处的光密度值（OD600）为0.08–0.10，将菌悬液浓度调整至约1.5 × 108 CFU/mL，相当于0.5麦氏比浊标准。
建立 E. faecalis 感染根管模型
为建立感染性根管生物膜模型，将每根已灭菌的牙根外部涂布两层透明指甲油，以防止细菌通过牙骨质渗透。在使用可流动树脂复合材料封闭根尖孔后，再涂布根尖区域，而根管口保持未涂布状态，以便进行细菌接种。使用无菌移液器， 10 µL 的 E. faecalis 将悬液分别转移至各个根管内，以充满整个根管长度且不溢出为度。接种后的样本分别置于无菌的24孔细胞培养板中，每孔加入1.5 mL BHI肉汤。样本在 37°C 在有氧条件下培养21天。每2天更换一次生长培养基，以新鲜无菌的BHI肉汤替代，为细菌持续生长提供营养，并清除积累的细胞碎片。在更换培养基过程中未再次接种大肠杆菌（E. faecalis）。培养期结束后，所有存活样本均用PBS洗涤一次，以去除松散附着的浮游细菌，随后进行实验检测。随机选取两个样本，通过扫描电子显微镜（SEM）观察成熟生物膜的形成及细菌向牙本质小管内的渗透情况。标本置于2.5%戊二醛中固定 4°C 24 h后，用PBS冲洗3次，依次经30%、50%、70%、80%、90%和100%梯度乙醇脱水，每步10 min，随后纵向剖开，空气干燥，固定于铝台，喷金镀膜，进行扫描电镜观察。
实验分组与激光照射方案
135 个感染牙根样本根据所使用的激光系统分为三个主要实验组：808 nm 半导体激光组、1940 nm 铥激光组和 2940 nm 铒激光组。每个激光组包含 45 个样本，并根据照射参数进一步细分。半导体激光以 1.0、1.5 或 2.0 W 的平均功率运行，每种功率分别照射 10、20 或 30 秒，形成九个亚组，每亚组包含三个样本。铥激光以 1.5、2.5 或 3.5 W 的平均功率运行，每种功率分别照射 10、20 或 30 秒，同样形成九个亚组，每亚组包含三个样本。铒激光以超短脉冲模式运行，固定频率为 15 Hz，脉冲能量分别为 10、20 或 30 mJ，每种能量照射 10、20 或 30 秒，生成九个亚组，每亚组包含三个样本。808 nm 半导体激光和 1940 nm 铥激光均以连续波模式运行。
总共纳入了六个额外的样本，其中三个样本分配至阴性对照组，另外三个样本分配至阳性对照组。阴性对照组使用无菌生理盐水处理，而阳性对照组则使用5.25%次氯酸钠（NaOCl）处理30秒。
对于激光组，遵循标准化的照射方案。将光纤插入根管至工作长度，并在整个照射期间以缓慢、连续的螺旋运动方式从根尖方向向冠方移动。使用与特定激光配套的传输光纤或探头，而非单一通用光纤。808 nm 半导体激光通过直径为 200 µm 的端面发射光纤传输，1940 nm 钬激光通过直径为 200 µm 的端面发射光纤传输，2940 nm 铥激光通过直径为 400 µm 的径向发射探头传输。光纤或探头以约 1 mm/s 的速度退出。到达根管口后，将其重新插入至工作长度，并重复进行从根尖至冠方的螺旋运动，直至完成指定的照射时间。
对于铥激光和铒激光，照射过程中根管内始终保持无菌生理盐水充填，以模拟水辅助激光激活。每次照射前，向每个根管内注入约 10 µL 无菌生理盐水，使液体充满至根管口水平。必要时，在每次照射循环前补充生理盐水，以确保治疗全程根管内始终充满液体。对于半导体激光组，照射前使用无菌纸尖将根管彻底干燥，因为 808 nm 半导体激光在水中的吸收率相对较低，其作用旨在根管内产生直接的光热抗菌效应。相比之下，1940 nm 铥激光和 2940 nm 铒激光对水的吸收率显著更高，因此在含生理盐水的根管中应用，以促进水介导的光热效应和光机械效应。激光治疗连续每日进行一次，持续三天。
根部外表面温度的测量
在激光照射的第一天期间，实时测量了根部外表面的温度变化。每个牙根样本在室温（22°C ± 1°C）下垂直固定在铁架台上。将连接至数字温度计的K型热电偶紧密贴附于根部外表面的中三分之一区域，并与牙根长轴垂直。使用可调节夹具定位热电偶探头，并用耐热胶带将其牢固固定在根面，以确保在整个测量过程中保持稳定且持续的接触。每次测量前，使用沸水（100°C）和冰水混合物（0°C）对热电偶探头进行校准。在整个照射期间（10、20 或 30 秒），以50 ms的时间间隔记录温度读数。对每个样本，均测量激光照射期间或照射后立即记录的基础温度和最高温度。从基础温度到峰值温度的温升记为ΔT。ΔT超过10°C被视为可能对牙周组织造成损伤的临界值。
微生物学评估：菌落计数与抑菌率
为确定激光处理的抗菌效果，在每次激光处理后采集样本。使用无菌纸尖将根管干燥。每个样本均使用新的无菌40号Hedström锉从根管壁获取牙本质碎屑，以防止样本间的交叉污染。每份牙本质碎屑均转移至含有1 mL无菌PBS的独立微量离心管中。将试管剧烈涡旋振荡30秒，以使细菌从牙本质碎屑中释放。通过在每次稀释步骤中将100 µL细菌悬液转移至900 µL无菌PBS中，制备10倍系列稀释液，稀释范围从10−1至10−6。取各稀释液30 µL等分试样，分别涂布于脑心浸出液琼脂平板上，并在37°C下培养24小时。对菌落进行计数并记录为菌落形成单位（CFU）。每个稀释度设三个重复平板，分析时采用三个平板菌落数的平均值。在计数前对平板进行编码，执行菌落计数的研究人员对处理分组保持盲态。
其中，C 为阴性对照组（生理盐水）的平均菌落形成单位（CFU）计数，T 为实验组的平均菌落形成单位（CFU）计数。
细菌生长曲线分析
通过绘制生长曲线，研究了不同激光处理对细菌生长动力学的影响。在最后一次激光处理后的第3天，用5 mL无菌生理盐水冲洗根管。使用无菌纸尖采集根管内容物，并将其转移至含有5 mL BHI肉汤的离心管中。将该管涡旋振荡，使细菌在肉汤中充分悬浮。随后将细菌悬液调整至1 × 106 CFU/mL。根据OD调整细菌浓度600 使用先前建立的校准曲线进行测量 E. faecalis ATCC 29212，并通过活菌落计数法进行后续验证。取一份等分试样 200 µL 将悬浮液加入无菌96孔微孔板的每个孔中。此外， 20 µL 加入无菌矿物油以减少蒸发。将微孔板置于分光光度计/培养箱中，保持在 37°C，以及OD600 每小时测量一次，持续24小时。每次测量OD600前，将微孔板以约300 rpm的速度振荡10秒，以确保细菌悬浮液均匀。每个样品设五个复孔进行检测。
统计学分析
所有数值数据均以均值 ± 标准差（SD）表示。统计学分析使用 SPSS 26.0 版本进行。数据分布通过 Shapiro–Wilk 检验进行评估。多组间比较采用方差分析（ANOVA），随后使用 Tukey 真实显著性差异（HSD）检验进行两两比较。两组之间的比较采用独立样本 t 检验。在应用参数检验前，使用 Levene 检验评估方差齐性。当方差齐性假设不满足时，酌情采用 Welch 校正。统计学显著性定义为 P < 0.05。图表使用 GraphPad Prism 9.0 版本生成。
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结果
不同激光处理对E. faecalis的抗菌活性
通过连续三次处理后测定菌落形成单位（CFU）数量，评估了三种激光系统对E. faecalis的抗菌效果。结果如图1和补充图1所示。无菌生理盐水阴性对照组显示了显著的细菌生长，平均菌落计数灰度值为396618.7 ± 67787.5。5.25% NaOCl阳性对照组的整体平均抑菌率为47.2% ± 3.0%，各次抑菌率分别为46.8%、43.1%和51.7%。
图1
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讨论
本项离体研究比较了808 nm半导体激光、1940 nm铥激光和2940 nm铒激光在清除细菌方面的抗菌效能及热安全性 E. faecalis 感染根管中的生物膜。三种激光系统均表现出比5.25% NaOCl更强的抑菌效果；然而，它们的抗菌效能和热效应特征存在显著差异。2940 nm铒激光实现了最佳的整体平衡，兼具最强的抗菌活性与最小的根面外侧温度升高。1940 nm铥激光也表现出较强的抗菌效果，但其最高辐照参数超过了 10°C 热安全阈值。808 nm半导体激光器表现出相对较低的抗菌活性和较差的热安全性。这些结果表明，激光波长和照射参数是在根管内消毒与牙周组织安全之间实现平衡的重要因素16然而，不同激光系统之间的直接比较应谨慎对待，因为每种波长都有其独特的临床适应症、递送系统和作用机制。本研究在标准化条件下比较了各系统的抗菌效果 离体 但每种激光的最佳应用可能取决于具体的临床情况、治疗目标以及可用的仪器设备。
三种激光系统之间的不同效果在很大程度上可归因于它们在波长依赖性上与水、牙本质及...
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披露
利益冲突：
作者声明，他们对本研究不存在任何竞争利益。不存在任何财务或非财务利益冲突，包括受雇、咨询、持股、酬金或有偿专家证词。
致谢
本研究由虹口区卫生健康委员会医学研究项目资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.9% 生理盐水溶液 | Beyotime | ST341-500ml | 牙齿储存、冲洗及阴性对照 |
| 1.5 mL 微量离心管 | Axygen | MCT-150-C | 样品收集与系列稀释 |
| 24 孔细胞培养板 | Corning | 3524 | 生物膜培养 |
| 96 孔微量培养板 | Corning | 3599 | 细菌生长曲线检测 |
| 高压灭菌器 | Tuttnauer | 2540E | 预备牙根的灭菌 |
| 脑心浸出液（BHI）琼脂 | BD Biosciences | 211065 | 细菌培养与菌落形成单位（CFU）计数 |
| 脑心浸出液（BHI）肉汤 | BD Biosciences | 237500 | 细菌培养与生长曲线分析 |
| 透明指甲油 | Beyotime | C0187 | 封闭牙根外表面 |
| 金刚石锯（低速） | Buehler | IsoMet Low Speed Saw | 牙冠截断 |
| 数字温度计（K型热电偶兼容） | OMEGA Engineering | HH802U | 牙根外表面温度测量 |
| 粪肠球菌 ATCC 29212 | American Type Culture Collection (ATCC) | ATCC 29212 | 细菌菌株 |
| 乙二胺四乙酸（EDTA），17% | Sigma-Aldrich | E9884 | 根管终末冲洗 |
| 可流动树脂复合材料 | 3M ESPE | 6031A2 | 封闭根尖孔 |
| GraphPad Prism | GraphPad Software | Version 9.0 • RRID: SCR_002798 | 图表生成 |
| Hedström 扩大锉，40 号 | Dentsply Maillefer | 80603010042 | 牙本质碎屑收集 |
| K 锉，10 号 | Dentsply Maillefer | 800-0210 | 工作长度测定 |
| 1940 nm 掺铥光纤激光系统 | Menovex Medical Technology (Shenzhen) Co., Ltd. (Arpadent) | TN20 | 激光照射 |
| 2940 nm Er:YAG 激光系统 | PointNix Co., Ltd. | Modular-beam | 激光照射 |
| 808 nm 半导体激光系统 | elexxion AG | Claros Nano | 激光照射 |
| 微量移液器 | Eppendorf | 3123000063 | 样品接种 |
| 矿物油（无菌） | Sigma-Aldrich | M5904 | 防止细菌生长曲线检测过程中液体蒸发 |
| 镍钛旋转锉系统（F3 预备） | Dentsply Sirona | ProTaper Gold | 根管预备 |
| 1940 nm 掺铥光纤激光用光纤 | Menovex Medical Technology (Shenzhen) Co., Ltd. (Arpadent) | 400 µm 直径 | 激光照射 |
| 2940 nm Er:YAG 激光用光纤 | PointNix Co., Ltd. | 600 µm 直径 | 激光照射 |
| 808 nm 半导体激光用光纤 | elexxion AG | elexxion longlife 200, 200 µm (Art. No. 10063) | 激光照射 |
| 牙周探针 | Hu-Friedy | PCPUNC156 | 牙根长度测量 |
| 牙周刮治器 | Hu-Friedy | SJ34-35 | 去除牙石和软组织 |
| 磷酸盐缓冲液（PBS） | Gibco / Thermo Fisher Scientific | 10010023 | 洗涤与细菌稀释 |
| 移液器吸头（10 µL, 200 µL, 1000 µL） | Axygen | T-300 / T-200-Y / T-1000-B | 液体处理 |
| 铁架台 | Biosharp | BS-IT-01 | 牙根标本固定 |
| 扫描电子显微镜（SEM） | Hitachi High-Technologies | TM4000Plus | 生物膜成像 |
| 摇床培养箱 | Thermo Fisher Scientific | MaxQ 4000 | 液体培养基培养 |
| 次氯酸钠（NaOCl），5.25% | Sigma-Aldrich | 425044 | 根管冲洗及阳性对照 |
| 分光光度计/培养箱（酶标仪） | BioTek / Agilent Technologies | Epoch 2 | 600 nm 处光密度（OD600）测定 |
| SPSS | IBM | Version 26.0 • RRID: SCR_002865 | 统计分析 |
| 无菌纸尖 | Dentsply Maillefer | Absorbent Paper Points, ISO 20, 0.02 锥度, 28 mm | 根管干燥与细菌取样 |
| 热电偶探头（K型） | OMEGA Engineering | 88000 | 温度测量 |
| 涡旋混合器 | Scientific Industries | Vortex-Genie 2 | 混匀细菌悬液 |
参考文献
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