Método in vitro para evaluar interacciones láser-titanio utilizando láseres Er, Cr:YSGG y diodos

Summary

Este protocolo describe un método estandarizado in vitro para evaluar efectos térmicos y superficiales sobre titanio durante la irradiación con láser Er,Cr:YSGG y diodos utilizando ajustes de corte de tejidos blandos recomendados por el fabricante. La termometría de contacto directo y el análisis multimodal de superficies proporcionan un flujo de trabajo reproducible para caracterizar interacciones láser de titanio dependientes de la longitud de onda.

Abstract

Este estudio presenta un protocolo estandarizado in vitro para evaluar la respuesta térmica y las alteraciones superficiales del titanio durante la irradiación láser Er,Cr:YSGG y diodo bajo configuraciones de tejidos blandos recomendadas por el fabricante. Los cilindros de titanio personalizados de grado 4 con canal interno permitían la medición directa de la temperatura mediante un termopar incorporado, lo que permitía una evaluación controlada de los cambios térmicos inducidos por láser. Para asegurar la consistencia geométrica y minimizar la variabilidad dependiente del operador, se utilizó un sistema de estabilización impreso en 3D para estandarizar el ángulo de irradiación, la trayectoria de barrido y el movimiento de la punta. Las modificaciones superficiales tras la exposición láser se caracterizaron cuantitativa y cualitativamente utilizando técnicas complementarias, incluyendo perfilometría para análisis de rugosidad, microscopía electrónica de barrido para evaluación micromorfológica y microscopía de fuerza atómica para evaluación topográfica a nanoescala. La irradiación con láser de diodos producía elevaciones de temperatura dependientes de la potencia y del tiempo, con las combinaciones de parámetros más altas superando el umbral de seguridad de 10 °C aceptado clínicamente. En contraste, todas las condiciones probadas de Er,Cr:YSGG permanecieron por debajo de este límite, lo que indica un comportamiento térmico distinto dependiente de la longitud de onda. Ambos sistemas láser indujeron aumentos significativos en la rugosidad superficial en relación con la superficie de control sin tratar, mientras que los análisis de imagen revelaron diferencias dependientes de la longitud de onda en la morfología a micro y nanoescala. En conjunto, este protocolo proporciona un marco experimental para la investigación sistemática de las interacciones láser-titanio y puede apoyar una selección de parámetros más segura y basada en la evidencia para procedimientos asistidos por láser de tejidos blandos realizados cerca de componentes implantes.

Introduction

Los procedimientos de tejidos blandos asistidos por láser se emplean ampliamente durante la cirugía implantal de segunda etapa y el manejo periimplantal de la mucosa, donde la irradiación suele ocurrir en proximidad a componentes de^{titanio 1,2}. En estas situaciones clínicas, es esencial comprender el comportamiento térmico del titanio y el potencial de alteraciones superficiales, ya que una elevación excesiva de temperatura o una alteración superficial pueden poner en peligro la integridad ósea periimplantal y la estabilidad a largo plazo^{del implante 3,4}. La literatura existente aporta valiosas ideas sobre las interacciones láser-titanio dependientes de la longitud de onda, pero la variabilidad metodológica, como las diferencias en la geometría de irradiación, el modo de contacto, la angulación y las técnicas de evaluación superficial, plantea desafíos para establecer umbrales de seguridad reproducibles y clínicamente ^{aplicables 5,6,7}.

Estudios recientes se han centrado cada vez más en los efectos térmicos y superficiales de diferentes longitudes de onda láser sobre el titanio, especialmente en el contexto de procedimientos periimplantes de tejidos blandos. Se ha demostrado que los láseres de diodo inducen elevaciones de temperatura y alteraciones superficiales dependientes de la potencia y el tiempo, con algunos ajustes que superan los umbrales térmicos clínicamente relevantes, lo que genera preocupaciones sobre la seguridad térmica cerca de los componentes^{del implante} 8,9,10,11. En cambio, los láseres basados en erbio, incluidos los sistemas Er,Cr:YSGG, presentan interacciones específicas por longitud de onda caracterizadas por una fuerte absorción de agua y mecanismos de ablación hidrocinética, que pueden limitar la transferencia excesiva de calor y el daño superficial bajo condiciones^apropiadas 12,13,14. A pesar de estos avances, los resultados reportados siguen siendo heterogéneos debido a diferencias en el diseño experimental y a la falta de metodologías estandarizadas.

Estudios previos han examinado los cambios de temperatura 9,10,11,15, la modificación superficial inducida por ^láser 14,16,17, o aspectos específicos de la absorción óptica^{de titanio 7}, pero muchos modelos experimentales carecían de control estandarizado de parámetros como la angulación de la fibra, el contacto con la superficie de la punta o la uniformidad del barrido. Estas variaciones pueden influir en el suministro de energía y complicar las comparaciones entre estudios. Además, el uso de imágenes monomodales en varios informes ha limitado la capacidad de detectar alteraciones micro y nanoescala dependientes de la longitud de onda en superficies de^{titanio 16,18}. Por tanto, un marco analítico más integrado podría mejorar la interpretabilidad y relevancia clínica de la investigación sobre interacción^{láser-titanio 12}.

Para abordar estas lagunas metodológicas, el presente estudio introduce un protocolo estandarizado in vitro para evaluar las interacciones de láser Er,Cr:YSGG y diodo con superficies de titanio bajo parámetros de corte de tejidos blandos clínicamente relevantes y recomendados por el fabricante. Se planteó la hipótesis de que los láseres Er, Cr:YSGG y diodo, cuando se operaban bajo ajustes de tejidos blandos recomendados por el fabricante, producirían diferencias distintas dependientes de la longitud de onda en la respuesta térmica y la modificación superficial del titanio. El protocolo emplea cilindros de titanio de grado 4 mecanizados a medida con un canal interno de termopar, lo que permite medir por contacto directo las temperaturas base y post-irradiación y minimizar artefactos comúnmente asociados a sondas externas.

Un sistema rígido de estabilización impreso en 3D mantiene un ángulo de irradiación fijo, una trayectoria controlada de la pieza de mano y un modo de contacto consistente, reduciendo la variabilidad dependiente del operador y asegurando una entrega de energía reproducible.

Una fortaleza clave de este protocolo es su estrategia de evaluación multimodal, que combina evaluación térmica, análisis de rugosidad profilométrica e imágenes de alta resolución SEM y AFM. Este enfoque integrado permite la caracterización simultánea del comportamiento térmico macroscópico, los cambios morfológicos a microescala y las alteraciones topográficas a nanoescala, ofreciendo una evaluación más completa que las técnicas de parámetro único comúnmente utilizadas en estudios^anteriores 9,10,15,18. Al proporcionar un flujo de trabajo visualmente demostrable y controlado metodológicamente, este protocolo establece una plataforma reproducible para comparar las interacciones de Er,Cr:YSGG y láseres de diodo con superficies de titanio.

En general, la metodología presentada aquí tiene como objetivo apoyar el desarrollo de umbrales de seguridad clínicamente relevantes y específicos de longitud de onda para la exposición a implantes de segunda etapa asistida por láser y otros procedimientos periimplantes de tejidos^blandos 10,11,13.

Protocol

Preparación de muestras de titanio
Los cilindros de titanio grado 4 (5 mm × 10 mm, superficie grabada  ácida (SLA) con grano grande arenado y arenado) fueron limpiados con etanol al 70% durante 30 segundos. Los ejemplares se colocaron sobre una superficie limpia y se secaron al aire durante 10 minutos. Se inspeccionó la superficie plana de irradiación de cada cilindro para confirmar la ausencia de restos visibles. Cada cilindro se posicionaba en el soporte de estabilización impreso en 3D, con la superficie plana orientada hacia arriba y la ranura lateral del termopar accesible. Todos los residuos de etanol y cualquier consumible contaminado generado durante la preparación y limpieza de la muestra se recogieron y eliminaron conforme a las directrices institucionales de gestión de residuos de laboratorio.

Preparación ambiental y de seguridad
Todos los experimentos se realizaron en un entorno de laboratorio controlado a 27 °C. La temperatura ambiente se monitorizó continuamente durante los experimentos mediante un termómetro digital situado junto al montaje experimental. Durante la aplicación del láser se utilizó gafas protectoras adecuadas a la longitud de onda. Se retiraron objetos reflectantes del espacio de trabajo, se encendieron sistemas láser y se permitió completar rutinas internas de autocomprobación antes de su uso. (Figura 1).

Figura 1: Sistemas láser usados para la irradiación. (A) Láser de diodo. (B) Eh, láser Cr:YSGG. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Aleatorización y asignación de grupos
Todos los cilindros de titanio fueron numerados y asignados aleatoriamente en 13 grupos de estudio utilizando una lista de aleatorización generada por ordenador, incluyendo seis grupos Er,Cr:YSGG, seis grupos de diodos y un grupo de control. Las asignaciones en grupo y los parámetros del láser se resumen en la Tabla 1. Cada ejemplar fue etiquetado con un código de identificación único para garantizar la trazabilidad a lo largo del experimento, según su grupo asignado.

Designación del grupo	Sistema láser utilizado	Número de ejemplares	Ajuste de potencia aplicado (W)	Tiempo de exposición
D1	Diodo	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	Eh, 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	Control	8

Tabla 1: Resumen de los grupos de estudio experimental y parámetros del láser.

Estabilización de los ejemplares en el soporte impreso en 3D
Para la irradiación, el soporte de estabilización impreso en 3D se fijaba a una bandeja rígida para evitar movimientos durante la aplicación del láser. Cada cilindro de titanio se insertaba verticalmente en su ranura designada, con la superficie plana orientada hacia la vía de irradiación. El soporte mantenía un ángulo fijo de irradiación de 15°, estandarizando la geometría de interacción entre la punta láser y la superficie de titanio. La pieza de mano se guiaba a lo largo del canal del soporte para asegurar una trayectoria de irradiación consistente entre los ejemplares.

Colocación de termopares y mediciones de temperatura base
Se insertaba un termopar tipo K en el canal central de cada cilindro de titanio hasta lograr un contacto estable metal con metal (Figura 2). El termopar estaba conectado a un multímetro digital configurado en modo temperatura (°C). La temperatura base se registró tras la estabilización, definida como un periodo de fluctuaciones de temperatura por debajo de 0,1 °C durante 30 s.

Figura 2: Cilindros de titanio con canal de termopar. (A) Vista lateral. (B) Vista lateral inversa. (C) Vista apical del canal del termopar. (D) Vista coronal. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Eh, irradiación láser Cr:YSGG
Eh, la irradiación láser Cr:YSGG se realizó bajo condiciones continuas de rociación de aire y agua. La punta del láser estaba posicionada en contacto directo con la superficie de titanio en un ángulo fijo de 15°. La punta se desplazaba a lo largo de un trayecto lineal de 5 mm a una velocidad de 1 cm/s. Como la irradiación se realizó bajo condiciones de contacto directo, el diámetro efectivo de interacción láser correspondía aproximadamente al diámetro de punta especificado por el fabricante de 500 μm. Los ejemplares fueron irradiados con combinaciones potencia-tiempo de 2,75 W, 3,75 W o 4,75 W durante 20 s o 40 s.

Irradiación por láser por diodo
La irradiación con láser de diodo se realizó en modo de onda continua utilizando una fibra de 400 μm en contacto directo con la superficie de titanio a un ángulo fijo de 15°. La fibra se arrastraba a lo largo de un camino lineal de 5 mm a una velocidad de 1 cm/s. La huella efectiva de contacto en la superficie de titanio se determinaba por el diámetro de la fibra utilizada en modo de contacto directo. Los ejemplares se irradiaban con combinaciones de potencia-tiempo de 1,2 W, 1,7 W o 2,2 W durante 20 s o 40 s.

Registro y cálculo de temperatura de ΔT
Inmediatamente después de la irradiación láser, la temperatura post-irradiación se registraba utilizando el termopar conectado al multímetro digital. El cambio de temperatura (ΔT) se calculó como la diferencia entre la postirradiación y la temperatura base. Cada muestra fue irradiada solo una vez, y no se realizó una aplicación láser repetida sobre la misma muestra.

Mediciones de rugosidad superficial perfilométrica
Tras las mediciones térmicas, las superficies irradiadas se limpiaron con aire comprimido libre de aceite. Cada muestra se montaba en la etapa del perfilómetro, y se escaneaba un área de 2 × 2 mm usando una fuerza del agulla de 4 mN, una velocidad de escaneo de 0,5 mm/s y una longitud de corte de 0,8 mm. Se realizaron cinco exploraciones por muestra y se calculó el valor medio de Ra (Figura 3).

Figura 3: Flujo de trabajo experimental. Preparación de la muestra, colocación de termopares, irradiación láser, registro de temperatura, perfilometría, análisis SEM y AFM. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Results

Análisis de temperatura
En todos los grupos Er,Cr:YSGG, el cambio de temperatura se mantuvo por debajo del umbral de seguridad de 10 °C, con valores que oscilan entre –2,65 °C y +2,20 °C. La potencia tuvo un efecto significativo en el cambio de temperatura (p < 0,001), mientras que la duración de la irradiación no mostró una influencia significativa (p = 0,898). La temperatura más baja se observó en E2 (2,75 W–40 s: –2,65 °C). En cambio, la irradiación con láser con ...

Discussion

Este estudio demostró que las interacciones del láser en titanio están fuertemente influenciadas por la longitud de onda, la potencia de salida y los efectos combinados de la potencia y la duración de la exposición. Er,Cr:YSGG la irradiación produjo consistentemente elevaciones de temperatura por debajo del umbral clínicamente aceptado de 10 °C asociado a lesión ósea^{térmica 3,4}, mientras que la irradiación láser con diodo mostró ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Soporte estabilizador impreso en 3D	Hechos a medida	Hecho a medida / No aplicable	Unidad de estabilización impresa en 3D diseñada para fijar el ángulo de irradiación y el camino de la pieza de mano.
Microscopio de Fuerza Atómica (EzAFM-Compact)	Nanomagnets Instruments, Oxford, Reino Unido	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Utilizado para la caracterización de topografía superficial y rugosidad a escala nanométrica.
Multímetro digital (Keithley 2000, 6½ Digit)	Keithley Instruments	URL: https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	Se usa con termopar tipo K para la medición de temperatura.
Láser de diodo épico (940 nm)	Biolase, Irvine, CA, EE. UU.	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	Sistema láser de diodo de onda continua (940 nm); ajustable 0,5 y guion guion; 10 W de salida; Usado para la irradiación en modo de tejidos blandos.
Eh, Cr:YSGG Sistema láser (Waterlase iPlus, 2780 nm)	Biolase, Irvine, CA, EE. UU.	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	Eh, Cr:YSGG láser (2780 nm) usado con la punta Ziptip MZ-5, 9 mm; operado en modo gingivomía con aire continuo y dash; Agua en spray.
Etanol, 70% (v/v)	Ulusoy Kozmetik	URL: https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	Limpieza de superficies de muestras
Software de Control y Análisis EzAFM	Nanomagnets Instruments, Oxford, Reino Unido	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Se utiliza para el control AFM, adquisición de datos y procesamiento de imágenes.
IBM SPSS Estadísticas 25	IBM Corp., Armonk, NY, EE. UU.	Versión 25	Utilizado para análisis estadísticos que incluyen pruebas de normalidad, comparaciones no paramétricas y ANOVA bidireccional.
Termopar tipo K	No especificado	No aplicable	Sonda termopar tipo K utilizada para la adquisición de temperatura.
Software de control de microscopio (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (anteriormente FEI), Hillsboro, OR, EE. UU.	URL: https://www.thermofisher.com	Utilizado para adquisición de imágenes SEM y control de instrumentos.
Punta de cremallera MZ-5 (9 mm)	Biolasa	URL: https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	Tip usado con la pieza de mano Er, Cr:YSGG.
Aire comprimido libre de aceite	No especificado	No aplicable	Se usa para eliminar restos de superficies de titanio.
Cera de parafina	MumveMum (vendido a través de Trendyol)	URL: https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	Se usa para recubrir el alambre de termopar y reducir la interferencia térmica.
Perfilómetro (Surftest SJ-201)	Mitutoyo, Tokio, Japón	URL: https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	Usado para mediciones de Ra en 2 y tiempos; Área de escaneo de 2 mm.
Microscopio Electrónico de Barrido (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (anteriormente FEI), Hillsboro, OR, EE. UU.	URL: https://www.thermofisher.com	Imágenes SEM a 250 y multiplicadas; – 5000 y más veces; aumentos.
Consejos E4, 400 y micro; m, 4 mm	Biolasa	URL: https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	Fibra utilizada para la irradiación de láseres con diodos.
Cilindros de titanio (Grado 4, superficie SLA, 5 y veces; 10 mm)	Naxis, Alemania	Hechos a medida	Cilindros hechos a medida con canal interno de 5 mm para termopar.