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。
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
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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。
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。
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：激光处理对Enterococcus faecalis的抗菌效果。使用808 nm半导体激光、1940 nm铥激光和2940 nm铒激光系统，在不同辐照参数下连续处理三天后的细菌抑制率。5.25%次氯酸钠（NaOCl）作为阳性对照，无菌生理盐水作为阴性对照（抑制率为0%）。数据表示为每组n = 3个独立样本的均值±标准差（SD）。误差线代表标准差。*表示P < 0.05，**表示P < 0.01，***表示P < 0.001。请点击此处查看该图的放大版本。
所有激光处理组的抑菌率均高于5.25% NaOCl阳性对照组。随着激光功率或脉冲能量的增加以及照射时间的延长，抗菌活性增强。例如，在808 nm半导体激光组中，当功率从1.0 W、照射10 s时的平均抑菌率53.1% ± 6.5%提高至2.0 W、照射30 s时的80.2% ± 2.6%。1.0 W照射30 s与2.0 W照射30 s的处理组之间差异具有统计学意义（P < 0.01）。
在大多数测试条件下，1940 nm 铥激光的抗菌活性高于半导体激光。在 1.5 W 功率下照射 10 秒时，平均抑菌率为 78.8% ± 1.9%；在 2.5 W 功率下照射 30 秒时，抑菌率上升至 91.6% ± 0.4%。在铥激光组中，最高抑菌率出现在 3.5 W 功率下照射 30 秒，达到 97.4% ± 0.8%。该值显著高于 5.25% NaOCl 阳性对照组（P < 0.001）以及 808 nm 半导体激光在 2.0 W 功率下照射 30 秒的结果（P < 0.001）。
在三种激光系统中，2940 nm 铥激光表现出最强的抗菌活性。在 10 mJ 持续 10 秒的条件下，平均抑制率达到 84.3% ± 1.5%；在 20 mJ 持续 30 秒时，抑制率为 96.5% ± 2.0%。最高抑制率出现在 30 mJ 持续 30 秒的条件下，达到 99.0% ± 0.6%。该数值显著高于 5.25% NaOCl 阳性对照组（P < 0.001）、1940 nm 铥激光在 2.5 W 持续 30 秒的处理组（P < 0.01）以及所有 808 nm 半导体激光处理组（P < 0.001）。
结果表明，这三种激光系统均对E. faecalis表现出抗菌活性，且随着辐照参数的增加，抑制率总体呈上升趋势。在所测试的条件下，2940 nm 铥激光实现了最高的抗菌抑制效果，其次是1940 nm 铥激光和808 nm 半导体激光，上述结果支持了本研究的假设，即在所测试的实验条件下，激光辅助根管消毒可有效降低细菌负荷。
激光处理对细菌生长动力学的影响
通过测量24小时内OD600评估治疗后细菌的再生长情况。结果如图2和补充图2所示。无菌生理盐水对照组表现出典型的细菌生长模式，包括约4小时的迟缓期，随后在4至12小时之间进入快速指数生长期，最后进入稳定期，其最大OD600值范围为1.167至1.245。
图2：生长曲线 Enterococcus faecalis 激光治疗后 生长动力学 Enterococcus faecalis 从经处理的根管中在24小时内回收，以600 nm处的光密度（OD）测量600）。图中显示了无菌生理盐水对照组、5.25% 次氯酸钠（NaOCl）对照组以及选定的 808 nm 半导体激光、1940 nm 铥激光和 2940 nm 铥激光处理组的代表性生长曲线。数据来自 n = 3 次独立样本，每样本设五个技术重复孔，以均值 ± 标准差（SD）表示。误差线代表标准差。* 表示 P < 0.05，** 表示 P < 0.01，而 *** 表示 P < 0.001. 请点击此处以查看该图的放大版本。
808 nm半导体激光组表现出参数依赖性的细菌生长抑制作用。在1.0 W、持续10 s的条件下，其生长曲线与5.25% NaOCl组相似，约8 h开始进入指数生长期。在2.0 W、持续30 s的条件下，迟缓期延长至约10 h，且14 h时的OD600值显著低于5.25% NaOCl组（0.559 ± 0.042 vs. 0.934 ± 0.042，P < 0.001）。
1940 nm 钬激光组对细菌生长的抑制作用强于半导体激光组。在 1.5 W 功率照射 10 s 的条件下，细菌约在 10 h 开始进入指数生长期。在 2.5 W 功率照射 30 s 的条件下，迟缓期延长至约 11 h，在相应时间点的 OD600 值显著低于无菌生理盐水对照组以及 808 nm 半导体激光在 2.0 W 功率照射 30 s 组P < 0.001）。在3.5 W下处理30秒后，细菌生长仍受到显著抑制，从12小时开始，OD600值保持在约0.15或更低，并在此后基本保持不变。
2940 nm 铒激光组对细菌再生长的抑制作用最强。在10 mJ、10 s的参数下，处理后约10小时内未观察到细菌生长的指数期增加。进一步提高脉冲能量可更显著延迟指数生长期的开始。在30 mJ、30 s的参数下，指数生长被延迟至约12小时后才开始，期间平均OD600值保持在0.20以下。在12小时时间点，30 mJ、30 s处理的2940 nm 铒激光组OD600值显著低于2.0 W、30 s处理的808 nm半导体激光组（0.120 ± 0.001 vs. 0.274 ± 0.044） P < 0.001).
总体而言，与对照组相比，三种激光系统均延迟了细菌的再生长，且随着辐照参数的增加，抑制效果逐渐增强。在测试条件下，2940 nm 铒激光对细菌再生长的抑制作用最强，其次是1940 nm 铥激光和808 nm 半导体激光，该结果支持了研究假设。
不同激光治疗对牙根表面外部热安全性的评估
除了评估三种激光系统的抗菌活性外，还通过测量牙根表面外部温度升高值（ΔT）来评价其热安全性。当温度升高超过 10°C 时，被认为可能造成牙周组织损伤的临界值。结果如图3所示。
图3：激光照射期间牙根外表面温度变化。使用808 nm半导体激光、1940 nm铥激光和2940 nm铒激光系统在不同照射参数下照射后，牙根外表面温度变化（ΔT）。虚线水平线表示通常与牙周组织损伤相关的10°C阈值。数据来自n = 3个独立样本，以均值±标准差（SD）表示。误差线代表标准差。*表示P < 0.05，**表示P < 0.01，***表示P < 0.001。请点击此处查看该图的放大版本。
808 nm半导体激光器导致牙根外表面温度升高最显著。在1.0 W功率下照射10秒，平均温度升高（ΔT）为6.0°C ± 0.7°C。在相同功率下将照射时间延长至30秒，平均ΔT升至10.4°C ± 0.9°C。在2.0 W功率下照射30秒时，平均ΔT进一步升高至14.8°C ± 3.8°C，所有样本均超过了10°C的安全阈值。
1940 nm 铥激光引起的温度升高较为适中。在 1.5 W 功率下照射 10 秒，平均 ΔT 为 2.5°C ± 0.7°C。将功率增加至 2.5 W，照射时间延长至 30 秒，平均 ΔT 升至 8.8°C ± 0.9°C，其中有一个样本达到 10.2°C。在 3.5 W 功率下照射 30 秒时，平均 ΔT 进一步升至 12.7°C ± 1.9°C，所有样本均超过了 10°C 的安全阈值。3.5 W 照射 30 秒时的温度升高显著高于 2.5 W 照射 30 秒时的结果（P < 0.01）。
在所有测试参数下，2940 nm 铒激光引起的牙根外表面温度升高最小。在10 mJ持续10 s的条件下，平均ΔT为0.8°C ± 0.1°C。在最高测试参数30 mJ持续30 s时，平均ΔT为3.6°C ± 1.0°C，测得温度变化范围为2.1°C至5.0°C。所有记录的温度升高均低于10°C的安全阈值。在3.5 W持续30 s条件下，1940 nm 铥激光引起的温度升高显著高于2940 nm 铒激光在30 mJ持续30 s时的表现（P < 0.01）。
总体而言，在所有测试条件下，2940 nm 掺铒激光器表现出最低的牙根外表面温度升高，而 808 nm 半导体激光器以及较高功率的 1940 nm 铥激光器设置则导致更大的温度上升，某些条件下超过了预设的安全阈值。
数据可用性：
本研究所有支持研究结果的原始数据均作为补充文件提供。代表性菌落形成单位（CFU）图像和完整的细菌生长曲线分别见于补充图1和图2。各个样本水平的牙根外表面温度测量值列于补充表1，所有处理组的抗菌活性原始数据（包括菌落面积灰度值及计算所得的抑制率）列于补充表2。这些补充文件包含了主稿件中所呈现结果的基础原始数据。
补充文件
补充图1. 激光处理后具有代表性的菌落形成单位（CFU）平板 Enterococcus faecalis. 代表性脑心浸液（BHI）琼脂平板显示根管样本经连续三次处理后回收的菌落形成单位（CFUs）。样本经连续稀释（10−3接种前进行处理，并培养24小时。图中显示了无菌生理盐水阴性对照组、5.25%次氯酸钠（NaOCl）阳性对照组、808 nm半导体激光（2.0 W，30 s）、1940 nm铥激光（3.5 W，30 s）以及2940 nm铒激光（30 mJ，30 s）处理组的代表性图像。 请点击此处下载此文件。
补充图2. 完整的24小时生长曲线 Enterococcus faecalis 激光治疗后。 生长动力学 Enterococcus faecalis 从经处理的根管中在24小时内回收，以600 nm处的光密度（OD）测量600）。将细菌悬液调整至1 × 106 菌落形成单位（CFU）/mL，并在脑心浸出液（BHI）肉汤中培养 37°C生长曲线显示了无菌生理盐水阴性对照组、5.25%次氯酸钠（NaOCl）阳性对照组以及所有实验性激光处理组的结果：808 nm半导体激光（1.0、1.5和2.0 W，持续10、20和30 s）、1940 nm铥激光（1.5、2.5和3.5 W，持续10、20和30 s）以及2940 nm铒激光（10、20和30 mJ，15 Hz，持续10、20和30 s）。 请点击此处下载该文件。
补充表 1. 激光照射期间牙根外表面温度测量结果。
在指定的功率或脉冲能量及照射时间条件下，分别使用 808 nm 半导体激光器、1940 nm 铥激光器或 2940 nm 铒激光器处理每个样本，记录照射前和照射后牙根外表面的温度。温度变化值 ΔT 计算为：ΔT = 照射后温度 − 照射前温度。每种参数组合均评估了三个独立样本。请点击此处下载该文件。
补充表 2. 激光处理后抗菌活性的菌落形成单位（CFU）原始分析数据。
显示了在指定辐照参数下，使用 808 nm 半导体激光、1940 nm 铥激光或 2940 nm 铥激光处理后各样本的菌落面积灰度值及计算得到的抑菌率。生理盐水和 5.25% 次氯酸钠（NaOCl）分别作为阴性对照组和阳性对照组。抑菌率以生理盐水对照组为基准进行计算。每种处理条件下均分析了三个独立样本。请点击此处下载该文件。
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、牙本质及细菌生物膜的相互作用差异。808 nm半导体激光对水的吸收较弱，主要通过直接的光热效应发挥作用。半导体激光可通过热诱导的蛋白质变性和破坏细菌膜来杀灭细菌17。然而，其有效性取决于激光光纤与目标细菌之间的接触或接近程度，而在根管系统复杂的解剖结构中实现这种接近具有挑战性。这可能解释了为何即使在2.0 W功率下照射30秒，半导体激光仍仅表现出中等程度的抑菌效果。生长曲线分析显示，部分细菌在半导体激光处理后仍存活，并保留了再生能力，表明现有的生物膜并未被完全清除18。1940 nm铥激光对水的吸收能力高于半导体激光，在充满液体的根管中可同时产生光热效应和光机械效应19。这种更强的水吸收能力可能解释了其更显著的抗菌效果；但同时也会在较高功率设置下导致更明显的温度升高。例如，在3.5 W功率下照射30秒虽表现出显著的抗菌活性，但温度升幅超过了为避免牙周组织损伤所建议的10°C阈值11,20。因此，在实现感染根管充分消毒与避免可能损伤周围组织的过度升温之间似乎存在权衡。这些激光系统不应被视为可直接互换，因为它们的波长具有不同的主要发色团和能量传递机制。半导体激光主要产生直接的光热效应，而铥激光和铒激光则与根管内水的相互作用更强，并引发额外的液体介导效应。因此，所观察到的差异可能既反映了照射参数的不同，也体现了这三种激光系统作用机制的本质区别。
2940 nm 铒激光表现出最理想的总体特性，主要归因于其对水的强吸收性21当在有灌注的根管内激活时，激光能量会迅速被一层薄水吸收，产生空化效应、冲击波和液体流动，这些作用能够机械性地破坏生物膜，同时限制热量传递至根管外表面。21,22这一机制可以解释为何铒激光在将所有与辐照相关的温度升高控制在预设安全阈值内的同时，实现了最高的抑制率。因此，在本项离体研究评估的实验条件下，铒激光在所测试的激光系统中表现出最佳的抗菌效果与热安全性的平衡。然而，这些发现仅限于所测试的 离体 条件，且未确立铒激光的临床优越性。进一步 体内 在这些发现能够转化为临床治疗建议之前，还需要开展进一步的基础与临床研究。5.25% NaOCl 所表现出的较低抑制率也值得注意。NaOCl 长期以来被用作牙髓治疗中清除细菌的标准冲洗液；然而，由于其渗透能力有限、化学中和作用以及生物膜基质的保护特性，其在成熟生物膜和深层牙本质小管中的抗菌效果可能受到限制。23,24这些发现表明，激光产生的物理效应（包括空化作用、冲击波和声流）可能增强细菌清除效果，超越单纯使用次氯酸钠冲洗的作用。8,25因此，本研究结果支持将激光辅助冲洗作为根管消毒的辅助手段，而非替代常规冲洗方案。本研究将生理盐水和 NaOCl 分别设为阴性对照和常规化学对照，主要目的是在标准化实验条件下比较三种激光系统。本研究并未设计用于将激光照射与当前的声波、超声或其他激活冲洗方案进行比较。因此，缺乏这些对照组限制了研究结果的临床相关性，应在今后的研究中予以补充。
热安全性在临床应用中仍然是一个重要的考虑因素。在多种照射参数下，半导体激光照射30秒时的温度升高已超过或接近10°C的阈值，提示存在牙周组织损伤的潜在风险26。与半导体激光相比，铥激光表现出更强的抗菌效果；然而，在较高功率设置下，其安全范围变窄，特别是在3.5 W下照射30秒时尤为明显。相比之下，2940 nm的铒激光即使在最高测试参数下，温度升高仍保持在5°C以下。这些结果表明，在使用半导体激光或铥激光时，必须谨慎选择参数；而在本研究所评估的条件下，铒激光表现出更宽的热安全范围。
本研究存在若干局限性。首先，研究采用离体模型，无法完全再现临床感染的生物学环境。特别是缺乏血液灌注和生理组织冷却，可能影响热量散失及牙根外表面温度的变化。此外，由于缺少宿主免疫反应，抗菌结果仅反映激光照射的直接作用，未考虑免疫介导的细菌清除效应。其次，研究仅针对一种细菌——E. faecalis，而大多数感染根管中存在多微生物生物膜。27单一物种模型无法重现临床多微生物感染所特有的种间相互作用、异质性生物膜结构以及可变的抗菌敏感性。因此，所观察到的抗菌效果针对 E. faecalis 不应将结果推广至感染根管中全部微生物群落。第三，所有实验均在静态实验室条件下进行，而体内牙齿受周围组织和血液灌注的影响，这可能影响热量的散失28最后，仅评估了部分选定的波长和辐照参数组合。所测试的波长旨在代表具有不同水吸收特性及抗菌作用机制的激光系统，而所选的辐照参数则旨在反映临床上可行的功率或能量水平以及暴露时间。然而，由于参数组合数量有限，研究结果的普适性受到限制，未来研究中应评估更多参数设置。尽管如此 E. faecalis 在牙髓研究中，由于其持续存在且对抑菌挑战具有抗性，常被用作代表性生物体，但不应将其视为牙髓感染或治疗失败的唯一指标。临床感染通常为多微生物所致，未来需要采用多菌种生物膜模型的研究，以更准确地反映根管微生物群的复杂性。
综上所述，每种激光系统对粪肠球菌（E. faecalis）的抗菌活性均优于单独使用5.25% NaOCl。在本项离体研究评估的实验条件下，2940 nm 铥激光在抗菌效果与热安全性之间表现出最理想的平衡。1940 nm 钬激光也表现出较强的抗菌活性；然而，较高功率设置会增加热损伤组织的风险。808 nm 半导体激光的抗菌效果较低，且热安全性不如钬激光和铥激光。这些结果支持进一步研究2940 nm 铥激光辅助消毒作为根管治疗的一种有前景的辅助方法29。
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。
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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