In-vitro-Methode zur Bewertung von Laser-Titan-Wechselwirkungen mit Er,Cr:YSGG- und Diodenlasern

Summary

Dieses Protokoll beschreibt eine standardisierte In-vitro-Methode zur Bewertung thermischer und Oberflächenwirkungen auf Titan während der Er-, Cr:YSGG- und Diodenlaserbestrahlung mit herstellerempfohlenen Weichteilschnitt-Einstellungen. Direktkontakt-Thermometrie und multimodale Oberflächenanalyse bieten einen reproduzierbaren Workflow zur Charakterisierung wellenlängenabhängiger Laser-Titan-Wechselwirkungen.

Abstract

Diese Studie präsentiert ein standardisiertes In-vitro-Protokoll zur Bewertung der thermischen Reaktion und Oberflächenveränderungen von Titan während Er,Cr:YSGG und der Diodenlaserbestrahlung unter herstellerempfohlenen Weichteil-Settings. Maßgeschneiderte Titanzylinder der Stufe 4 mit einem internen Kanal ermöglichten eine direkte Temperaturmessung über ein eingebettetes Thermoelement, was eine kontrollierte Beurteilung laserinduzierter thermischer Veränderungen ermöglichte. Um geometrische Konsistenz zu gewährleisten und die bedienerabhängige Variabilität zu minimieren, wurde ein 3D-gedrucktes Stabilisierungssystem verwendet, um den Bestrahlungswinkel, die Kurvenbahn und die Spitzenbewegung zu standardisieren. Oberflächenmodifikationen nach der Laserbelichtung wurden quantitativ und qualitativ mit komplementären Techniken charakterisiert, darunter Profilometrie für die Rauheitsanalyse, Rasterelektronenmikroskopie zur mikromorphologischen Bewertung und Atomkraftmikroskopie für die topographische Bewertung im Nanomaßstab. Die Diodenlaserbestrahlung erzeugte leistungs- und zeitabhängige Temperaturerhöhungen, wobei die höchsten Parameterkombinationen die klinisch akzeptierte Sicherheitsschwelle von 10 °C überschritten. Im Gegensatz dazu blieben alle getesteten Er,Cr:YSGG-Bedingungen unterhalb dieses Grenzwerts, was auf ein deutlich wellenlängenabhängiges thermisches Verhalten hinweist. Beide Lasersysteme führten zu signifikanten Zuwächsen der Oberflächenrauheit im Vergleich zur unbehandelten Steuerfläche, während bildgebende Analysen wellenlängenabhängige Unterschiede in der Mikro- und Nanoskala-Morphologie zeigten. Zusammen bietet dieses Protokoll einen experimentellen Rahmen für die systematische Untersuchung von Laser-Titan-Wechselwirkungen und kann eine sicherere, evidenzbasierte Parameterauswahl für laserunterstützte Weichteilverfahren in der Nähe von Implantatkomponenten unterstützen.

Introduction

Laserunterstützte Weichteilverfahren werden häufig bei der zweiten Implantationsstufe und der Peri-Implantat-Schleimhaut eingesetzt, wobei die Bestrahlung häufig in unmittelbarer Nähe zu Titankomponenten ^1,2 erfolgt. In solchen klinischen Situationen ist das Verständnis des thermischen Verhaltens von Titan und des Potenzials für Oberflächenveränderungen unerlässlich, da eine übermäßige Temperaturerhöhung oder Oberflächenstörung die Knochenintegrität und die langfristige Stabilität des Implantats gefährden^{können 3,4}. Die vorhandene Literatur liefert wertvolle Einblicke in wellenlängenabhängige Titan-Laserwechselwirkungen, doch methodische Variabilität, wie Unterschiede in der Bestrahlungsgeometrie, Kontaktmodus, Winkelung und Oberflächenbewertungstechniken, stellen Herausforderungen bei der Festlegung reproduzierbarer und klinisch anwendbarer Sicherheitsschwellenwerte ^5,6,7 dar.

Neuere Studien konzentrieren sich zunehmend auf die thermischen und Oberflächeneffekte verschiedener Laserwellenlängen auf Titan, insbesondere im Zusammenhang mit peri-implantierten Weichteilverfahren. Diodenlaser haben gezeigt, dass sie leistungs- und zeitabhängige Temperaturerhöhungen sowie Oberflächenveränderungen auf Titan induzieren, wobei einige Einstellungen die klinisch relevanten thermischen Schwellenwerte überschreiten, was Bedenken hinsichtlich der thermischen Sicherheit in der Nähe von Implantatkomponenten 8,9,10,11 aufwirft. Im Gegensatz dazu zeigen erbiumbasierte Laser, einschließlich Er,Cr:YSGG-Systeme, wellenlängenspezifische Wechselwirkungen, die durch starke Wasserabsorption und hydrokinetische Ablationsmechanismen gekennzeichnet sind, die unter geeigneten Bedingungen übermäßigen Wärmetransfer und Oberflächenschäden begrenzen^können 12,13,14. Trotz dieser Fortschritte bleiben die berichteten Ergebnisse aufgrund von Unterschieden im experimentellen Design und fehlender standardisierter Methoden heterogen.

Frühere Studien untersuchten Temperaturänderungen ^9,10,11,15, laserinduzierte Oberflächenmodifikation 14,16,17 oder spezifische Aspekte der Titan-optischen Absorption ⁷, aber viele experimentelle Modelle fehlten eine standardisierte Steuerung von Parametern wie Faserwinkel, Kontakt mit der Spitzenoberfläche oder Gleichmäßigkeit des Sweeps. Diese Unterschiede können die Energieversorgung beeinflussen und Vergleiche zwischen Studien erschweren. Darüber hinaus hat der Einsatz von Einzelmodalbildgebung in mehreren Berichten die Fähigkeit eingeschränkt, wellenlängenabhängige mikro- und nanoskalige Veränderungen auf Titanoberflächen zu erkennen.^16,18. Ein integrierterer analytischer Rahmen könnte daher die Interpretierbarkeit und klinische Relevanz der Forschung zur Laser-Titan-Interaktion^{verbessern 12}.

Um diese methodischen Lücken zu schließen, führt die vorliegende Studie ein standardisiertes In-vitro-Protokoll ein, um Er-, Cr:YSGG- und Diodenlaser-Interaktionen mit Titanoberflächen unter klinisch relevanten, vom Hersteller empfohlenen Weichteilschnittparametern zu bewerten. Es wurde vermutet, dass Er, Cr:YSGG und Diodenlaser, wenn sie unter vom Hersteller empfohlenen Weichteil-Einstellungen betrieben werden, deutliche, wellenlängenabhängige Unterschiede in der thermischen Reaktion und Oberflächenmodifikation von Titan erzeugen würden. Das Protokoll verwendet maßgefertigte Titanzylinder der Stufe 4 mit einem internen Thermoelementkanal, was eine direkte Kontaktmessung der Basis- und Nachstrahlungstemperaturen ermöglicht und Artefakte minimiert, die üblicherweise mit externen Sonden assoziiert werden.

Ein starres 3D-gedrucktes Stabilisierungssystem sorgt für einen festen Bestrahlungswinkel, eine kontrollierte Handstückbahn und einen konstanten Kontaktmodus, wodurch die bedienerabhängige Variabilität reduziert und eine reproduzierbare Energiezufuhr gewährleistet wird.

Eine zentrale Stärke dieses Protokolls ist seine multimodale Bewertungsstrategie, die thermische Bewertung, profilometrische Rauheitsanalyse sowie hochauflösende SEM- und AFM-Bildgebung kombiniert. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht eine gleichzeitige Charakterisierung makroskopischen thermischen Verhaltens, morphologischer Veränderungen im Mikrobereich und topographischer Veränderungen im Nanomaßstab und bietet eine umfassendere Bewertung als Einzelparameter-Techniken, die üblicherweise in früheren^{Studien verwendet} wurden^. Durch die Bereitstellung eines visuell nachweisbaren und methodisch gesteuerten Arbeitsablaufs schafft dieses Protokoll eine reproduzierbare Plattform zum Vergleich von Er-, Cr:YSGG- und Diodenlaser-Interaktionen mit Titanoberflächen.

Insgesamt zielt die hier vorgestellte Methodik darauf ab, die Entwicklung klinisch relevanter, wellenlängenspezifischer Sicherheitsschwellenwerte für laserunterstützte Implantat-Exposition der zweiten Stufe und andere peri-implantierte Weichteilverfahren zu unterstützen 10,11,13.

Protocol

Herstellung von Titanproben
Titanzylinder der Klasse 4 (5 mm × 10 mm, sandgestrahlte Oberfläche mit großer Körnung, Säure ( SLA) Oberfläche) wurden 30 Sekunden lang mit 70 % Ethanol gereinigt. Die Proben wurden auf eine saubere Oberfläche gelegt und 10 Minuten an der Luft getrocknet. Die flache Bestrahlungsfläche jedes Zylinders wurde untersucht, um das Fehlen sichtbarer Trümmer zu bestätigen. Jeder Zylinder war im 3D-gedruckten Stabilisierungshalter positioniert, wobei die flache Oberfläche nach oben ausgerichtet und der seitliche Thermoelementschlitz zugänglich war. Alle Ethanolabfälle und alle kontaminierten Verbrauchsgüter, die während der Probenvorbereitung und -reinigung entstanden, wurden gemäß den institutionellen Richtlinien zur Abfallwirtschaft im Labor gesammelt und entsorgt.

Umwelt- und Sicherheitsvorbereitung
Alle Experimente wurden in einer kontrollierten Laborumgebung bei 27 °C durchgeführt. Die Umgebungstemperatur wurde während der gesamten Experimente kontinuierlich mit einem digitalen Thermometer überwacht, das neben dem experimentellen Setup positioniert war. Während der Laseranwendung wurden wellenlängengeeignete Schutzbrillen verwendet. Reflektierende Objekte wurden aus dem Arbeitsbereich entfernt, und Lasersysteme wurden eingeschaltet und konnten vor der Nutzung interne Selbstkontrollverfahren durchführen. (Abbildung 1).

Abbildung 1: Lasersysteme zur Bestrahlung. (A) Diodenlaser. (B) Äh, Cr:YSGG-Laser. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Randomisierung und Gruppenzuweisung
Alle Titanzylinder wurden nummeriert und zufällig in 13 Studiengruppen unter Verwendung einer computergenerierten Randomisierungsliste zugeteilt, darunter sechs Er,Cr:YSGG-Gruppen, sechs Diodengruppen und eine Kontrollgruppe. Gruppenzuweisungen und Laserparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Jedes Exemplar wurde mit einem eindeutigen Identifikationscode beschriftet, um die Rückverfolgbarkeit während des gesamten Experiments gemäß der zugewiesenen Gruppe sicherzustellen.

Gruppenbezeichnung	Verwendetes Lasersystem	Anzahl der Exemplare	Angewandte Leistungseinstellung (W)	Belichtungszeit (s)
D1	Diode	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	Äh, 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	Steuerung	8

Tabelle 1: Überblick über die experimentellen Studiengruppen und Laserparameter.

Stabilisierung von Proben im 3D-gedruckten Halter
Zur Bestrahlung wurde der 3D-gedruckte Stabilisierungshalter an einem starren Tablett befestigt, um Bewegungen während der Laseranwendung zu verhindern. Jeder Titanzylinder wurde vertikal in seinen vorgesehenen Schlitz eingesetzt, wobei die flache Oberfläche dem Bestrahlungsweg zugewandt war. Der Halter hielt einen festen Bestrahlungswinkel von 15° aufrecht, wodurch die Wechselwirkungsgeometrie zwischen der Laserspitze und der Titanoberfläche standardisiert wurde. Das Handstück wurde entlang des Halterkanals geführt, um eine gleichmäßige Bestrahlungsbahn über die Proben zu gewährleisten.

Thermoelementplatzierung und Basistemperaturmessungen
Ein K-Typ-Thermoelement wurde in den zentralen Kanal jedes Titanzylinders eingesetzt, bis ein stabiler Metall-zu-Metall-Kontakt erreicht wurde (Abbildung 2). Das Thermoelement war an ein digitales Multimeter angeschlossen, das auf Temperaturmodus (°C) eingestellt war. Die Basistemperatur wurde nach der Stabilisierung gemessen, definiert als eine Periode von Temperaturschwankungen unter 0,1 °C für 30 Sekunden.

Abbildung 2: Titanzylinder mit Thermoelementkanal. (A) Seitenansicht. (B) Umgekehrte Seitenansicht. (C) Apikalansicht des Thermoelementkanals. (D) Koronale Ansicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Er, Cr:YSGG Laserbestrahlung
Er, Cr:YSGG Laserbestrahlung wurde unter kontinuierlichen Luft- und Wassersprühbedingungen durchgeführt. Die Laserspitze war in direktem Kontakt mit der Titanoberfläche in einem festen Winkel von 15 ° positioniert. Die Spitze wurde mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s auf einem 5 mm breiten linearen Pfad geschwungen. Da die Bestrahlung unter direkten Kontaktbedingungen erfolgte, entsprach der effektive Laserwechselwirkungsdurchmesser ungefähr dem vom Hersteller festgelegten Spitzendurchmesser von 500 μm. Die Proben wurden mit Leistungs-Zeit-Kombinationen von 2,75 W, 3,75 W oder 4,75 W für 20 Sekunden oder 40 Sekunden bestrahlt.

Diodenlaserbestrahlung
Die Diodenlaserbestrahlung erfolgte im Dauerwellenmodus mit einer 400 μm langen Faser, die direkten Kontakt mit der Titanoberfläche und einem festen Winkel von 15° hatte. Die Faser wurde mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s auf einem 5 mm breiten linearen Weg geführt. Der effektive Kontaktabdruck auf der Titanoberfläche wurde durch den im Direktkontaktmodus verwendeten Faserdurchmesser bestimmt. Die Proben wurden mit Leistungszeitkombinationen von 1,2 W, 1,7 W oder 2,2 W für 20 Sekunden oder 40 Sekunden bestrahlt.

Temperaturerfassung und Berechnung von ΔT
Unmittelbar nach der Laserbestrahlung wurde die Temperatur nach der Bestrahlung mit dem Thermoelement, das mit dem digitalen Multimeter verbunden war, gemessen. Die Temperaturänderung (ΔT) wurde als Differenz zwischen der Temperatur nach der Bestrahlung und der Basistemperatur berechnet. Jede Probe wurde nur einmal bestrahlt, und es wurde keine wiederholte Laseranwendung an derselben Probe durchgeführt.

Profilometrische Oberflächenrauheitsmessungen
Nach thermischen Messungen wurden die bestrahlten Oberflächen mit ölfreier Druckluft gereinigt. Jedes Exemplar wurde auf der Profilometerstufe montiert, und ein Bereich von 2 × 2 mm wurde mit einer Stiftkraft von 4 mN, einer Scangeschwindigkeit von 0,5 mm/s und einer Cutoff-Länge von 0,8 mm abgetastet. Pro Probe wurden fünf Scans durchgeführt, und der mittlere Ra-Wert wurde berechnet (Abbildung 3).

Abbildung 3: Experimenteller Workflow. Probevorbereitung, Platzierung des Thermoelements, Laserbestrahlung, Temperaturmessung, Profilometrie, SEM und AFM-Analysen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Results

Temperaturanalyse
In allen Er,Cr:YSGG-Gruppen blieb die Temperaturänderung unterhalb der Sicherheitsschwelle von 10 °C, mit Werten zwischen –2,65 °C und +2,20 °C. Die Leistung hatte einen signifikanten Einfluss auf die Temperaturänderung (p < 0,001), während die Bestrahlungsdauer keinen signifikanten Einfluss zeigte (p = 0,898). Die niedrigste Temperatur wurde in E2 (2,75 W–40 s: –2,65 °C) beobachtet. Im Gegensatz dazu erzeugte die Diodenlaserbestrahlung deutlich höh...

Discussion

Diese Studie zeigte, dass Titanwechselwirkungen in Lasern stark von Wellenlänge, Ausgangsleistung und den kombinierten Effekten von Leistung und Belichtungsdauer beeinflusst werden. Die Er,Cr:YSGG-Bestrahlung führte konstant zu Temperaturerhöhungen unterhalb der klinisch akzeptierten 10 °C-Schwelle, die mit einer thermischen Knochenverletzung ^3,4 assoziiert ist, während die Diodenlaserbestrahlung eine fortschreitende thermische L...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-gedruckter Stabilisierungshalter	Maßgefertigt	Maßgefertigt / Nicht anwendbar	3D-gedruckte Stabilisierungsgeräte, die den Bestrahlungswinkel und den Weg des Handstücks feststellen soll.
Atomkraftmikroskop (EzAFM-Compact)	Nanomagnetische Instrumente, Oxford, Großbritannien	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Verwendet für die Charakterisierung von Oberflächetopographie und Rauheit im Nanomaßstab.
Digitales Multimeter (Keithley 2000, 6½ Digit)	Keithley Instruments	URL: https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	Verwendet mit K-Typ-Thermoelement zur Temperaturmessung.
Epischer Diodenlaser (940 nm)	Biolase, Irvine, CA, USA	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	Kontinuierlichwellen-Diodenlasersystem (940 nm); verstellbar 0,5 & Strich; 10 W Ausgangssignal; Verwendet für die Bestrahlung im Weichteilmodus.
Äh, Cr:YSGG Lasersystem (Waterlase iPlus, 2780 nm)	Biolase, Irvine, CA, USA	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	Er, Cr:YSGG-Laser (2780 nm) verwendet mit MZ-5 Ziptip, 9 mm; im Gingivektomie-Modus mit kontinuierlicher Luft und Dash betrieben; Wassersprüh.
Ethanol, 70 % (v/v)	Ulusoy Kozmetik	URL: https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	Reinigung der Probenoberflächen
EzAFM-Steuerungs- und Analysesoftware	Nanomagnetische Instrumente, Oxford, Großbritannien	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Verwendet für AFM-Steuerung, Datenerfassung und Bildverarbeitung.
IBM SPSS Statistik 25	IBM Corp., Armonk, NY, USA	Version 25	Verwendet für statistische Analysen einschließlich Normalitätstests, nichtparametrische Vergleiche und zweiseitige ANOVA.
K-Typ-Thermoelement	Nicht spezifiziert	Nicht anwendbar	K-Typ-Thermoelement-Sonde zur Temperaturerfassung verwendet.
Mikroskopsteuerungssoftware (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (ehemals FEI), Hillsboro, OR, USA	URL: https://www.thermofisher.com	Verwendet für SEM-Bildaufnahme und Instrumentensteuerung.
MZ-5 Ziptip (9 mm)	Biolase	URL: https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	Tipp verwendet mit Er, Cr:YSGG Handstück.
Ölfreie Druckluft	Nicht spezifiziert	Nicht anwendbar	Wird verwendet, um Ablagerungen von Titanoberflächen zu entfernen.
Paraffinwachs	MumveMum (verkauft über Trendyol)	URL: https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	Wird verwendet, um Thermoelementkabel zu beschichten und so thermische Störungen zu reduzieren.
Profilometer (Surftest SJ-201)	Mitutoyo, Tokio, Japan	URL: https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	Verwendet für Ra-Messungen über 2 & Zeiten; 2 mm Scanfläche.
Rasterelektronenmikroskop (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (ehemals FEI), Hillsboro, OR, USA	URL: https://www.thermofisher.com	SEM-Bildgebung bei 250 & Mal; – 5000&m; Vergrößerungen.
Tipps E4, 400 & Mikro; m, 4 mm	Biolase	URL: https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	Faser, die für die Diodenlaserbestrahlung verwendet wird.
Titanzylinder (Grad 4, SLA-Oberfläche, 5&-fach; 10 mm)	Naxis, Deutschland	Maßgefertigt	Sondergefertigte Zylinder mit 5 mm Innenkanal für das Thermoelement.