Méthode in vitro pour évaluer les interactions laser-titane utilisant des lasers Er, Cr :YSGG et diodes

Summary

Ce protocole décrit une méthode standardisée in vitro pour évaluer les effets thermiques et de surface sur le titane lors de l’irradiation laser Er,Cr :YSGG et à diode en utilisant des réglages de coupe des tissus mous recommandés par le fabricant. La thermométrie de contact direct et l’analyse multimodale de surface offrent un flux de travail reproductible pour caractériser les interactions titane laser dépendantes de la longueur d’onde.

Abstract

Cette étude présente un protocole standardisé in vitro pour évaluer la réponse thermique et les altérations de surface du titane lors de l’irradiation laser Er,Cr :YSGG et à diode selon les réglages des tissus mous recommandés par le fabricant. Des cylindres de titane de grade 4 personnalisés avec un canal interne permettaient la mesure directe de la température via un thermocouple intégré, permettant une évaluation contrôlée des changements thermiques induits par laser. Pour garantir la cohérence géométrique et minimiser la variabilité dépendante de l’opérateur, un système de stabilisation imprimé en 3D a été utilisé pour standardiser l’angle d’irradiation, la trajectoire en flèche et le mouvement de la pointe. Les modifications de surface après exposition laser ont été caractérisées quantitativement et qualitativement à l’aide de techniques complémentaires, notamment la profilométrie pour l’analyse de la rugosité, la microscopie électronique à balayage pour l’évaluation micromorphologique, et la microscopie à force atomique pour l’évaluation topographique à l’échelle nanométrique. L’irradiation par laser à diode produisait des élévations de température dépendantes de la puissance et du temps, les combinaisons de paramètres les plus élevées dépassant le seuil de sécurité cliniquement accepté de 10 °C. En revanche, toutes les conditions testées Er,Cr :YSGG sont restées en dessous de cette limite, indiquant un comportement thermique distinct dépendant de la longueur d’onde. Les deux systèmes laser ont provoqué des augmentations significatives de la rugosité de la surface par rapport à la surface témoin non traitée, tandis que les analyses d’imagerie ont révélé des différences dépendantes de la longueur d’onde en morphologie micro et nano échelle. Collectivement, ce protocole fournit un cadre expérimental pour l’investigation systématique des interactions laser-titane et peut soutenir une sélection de paramètres plus sûre et fondée sur des preuves pour les interventions assistées par laser des tissus mous réalisées près des composants de l’implant.

Introduction

Les interventions assistées par laser des tissus mous sont largement utilisées lors de la chirurgie implantaire de deuxième étape et de la gestion de la muqueuse péri-implant, où l’irradiation se produit souvent à proximité des composants en^{titane 1,2}. Dans de telles situations cliniques, il est essentiel de comprendre le comportement thermique du titane et le potentiel de modifications de surface, car une élévation excessive de température ou une perturbation de surface peut compromettre l’intégrité osseuse du péri-implant et la stabilité à long terme^{de l’implant 3,4}. La littérature existante fournit des informations précieuses sur les interactions titane laser dépendantes de la longueur d’onde, mais la variabilité méthodologique, telle que les différences dans la géométrie d’irradiation, le mode de contact, l’angulation et les techniques d’évaluation de surface, pose des défis pour établir des seuils de sécurité reproductibles et cliniquement ^{applicables 5,6,7}.

Des études récentes se sont de plus en plus concentrées sur les effets thermiques et de surface des différentes longueurs d’onde laser sur le titane, en particulier dans le contexte des procédures de tissus mous péri-implantaires. Il a été démontré que les lasers à diodes induisent des élévations de température et des modifications de surface dépendantes de la puissance et du temps sur le titane, certains réglages dépassant les seuils thermiques cliniquement pertinents, soulevant des inquiétudes quant à la sécurité thermique près des composants^{8, 9, 10, 11} de l’implant. En revanche, les lasers à base d’erbium, y compris les systèmes Er,Cr :YSGG, présentent des interactions spécifiques à la longueur d’onde caractérisées par une forte absorption de l’eau et des mécanismes d’ablation hydrokinétique, ce qui peut limiter un transfert de chaleur excessif et les dommages à la surface dans des conditions^appropriées 12,13,14. Malgré ces avancées, les résultats rapportés restent hétérogènes en raison de différences dans la conception expérimentale et d’un manque de méthodologies standardisées.

Des études antérieures ont examiné les variations de température 9,10,11,15, la modification de surface induite ^{par laser} 14,16,17, ou des aspects spécifiques de l’absorption optique^{du titane 7}, mais de nombreux modèles expérimentaux manquaient de contrôle standardisé de paramètres tels que l’angulation des fibres, le contact avec la surface de la pointe ou l’uniformité du balayage. Ces variations peuvent influencer la livraison d’énergie et compliquer les comparaisons entre les études. De plus, l’utilisation de l’imagerie monomodale dans plusieurs rapports a limité la capacité à détecter des altérations micro et nanométriques dépendantes de la longueur d’onde sur des surfaces^{de titane 16,18}. Un cadre analytique plus intégré pourrait donc renforcer l’interprétabilité et la pertinence clinique de la recherche sur l’interaction^{laser-titane 12}.

Pour combler ces lacunes méthodologiques, la présente étude introduit un protocole standardisé in vitro pour évaluer les interactions entre Er, Cr :YSGG et laser à diode avec des surfaces de titane sous des paramètres de coupe des tissus mous cliniquement pertinents et recommandés par le fabricant. Il a été émis l’hypothèse que les lasers Er,Cr :YSGG et diodes, lorsqu’ils sont utilisés selon des réglages de tissus mous recommandés par le fabricant, produiraient des différences distinctes dépendantes de la longueur d’onde dans la réponse thermique et la modification de surface du titane. Le protocole utilise des cylindres de titane de grade 4 usinés sur mesure avec un canal thermocouple interne, permettant la mesure par contact direct des températures de base et post-irradiation et minimisant les artefacts couramment associés aux sondes externes.

Un système de stabilisation rigide imprimé en 3D maintient un angle d’irradiation fixe, une trajectoire contrôlée de la pièce à main et un mode de contact constant, réduisant la variabilité dépendante de l’opérateur et garantissant une livraison d’énergie reproductible.

Une force clé de ce protocole est sa stratégie d’évaluation multimodale, combinant l’évaluation thermique, l’analyse de la rugosité profilométrique et l’imagerie MEB et AFM à haute résolution. Cette approche intégrée permet la caractérisation simultanée du comportement thermique macroscopique, des changements morphologiques à l’échelle microscopique et des altérations topographiques à l’échelle nanométrique, offrant une évaluation plus complète que les techniques à paramètre unique couramment utilisées dans des études^antérieures 9,10,15,18. En fournissant un flux de travail visuellement démontrable et contrôlé méthodologiquement, ce protocole établit une plateforme reproductible pour comparer les interactions entre Er, Cr :YSGG et laser à diode avec des surfaces en titane.

Dans l’ensemble, la méthodologie présentée ici vise à soutenir le développement de seuils de sécurité cliniquement pertinents, spécifiques à la longueur d’onde, pour l’exposition assistée par laser au deuxième stade de l’implant et d’autres procédures peri-implantaires 10,11,13.

Protocol

Préparation des échantillons de titane
Les cylindres de titane de grade 4 (5 mm × 10 mm, surface gravée  à l’acide (SLA) sablée et sablée) ont été nettoyées à 70 % d’éthanol pendant 30 s. Les spécimens ont été placés sur une surface propre et séchés à l’air pendant 10 minutes. La surface plate d’irradiation de chaque cylindre a été inspectée pour confirmer l’absence de débris visibles. Chaque cylindre était positionné dans le porte-stabilisation imprimé en 3D, avec la surface plate orientée vers le haut et la fente latérale du thermocouple accessible. Tous les déchets d’éthanol et les consommables contaminés générés lors de la préparation et du nettoyage des échantillons ont été collectés et éliminés conformément aux directives institutionnelles de gestion des déchets de laboratoire.

Préparation environnementale et de sécurité
Toutes les expériences ont été menées dans un laboratoire contrôlé à 27 °C. La température ambiante était continuellement surveillée tout au long des expériences à l’aide d’un thermomètre numérique positionné à côté de l’installation expérimentale. Des lunettes de protection adaptées à la longueur d’onde ont été utilisées lors de l’application du laser. Les objets réfléchissants ont été retirés de l’espace de travail, et les systèmes laser ont été allumés et autorisés à effectuer des routines d’auto-vérification internes avant utilisation. (Figure 1).

Figure 1 : Systèmes laser utilisés pour l’irradiation. (A) Laser à diode. (B) Euh, laser Cr :YSGG. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Randomisation et allocation de groupes
Tous les cylindres de titane ont été numérotés et répartis aléatoirement en 13 groupes d’étude à l’aide d’une liste de randomisation générée par ordinateur, comprenant six groupes Er,Cr :YSGG, six groupes de diodes et un groupe témoin. Les affectations de groupe et les paramètres laser sont résumés dans le Tableau 1. Chaque spécimen a été étiqueté avec un code d’identification unique afin d’assurer la traçabilité tout au long de l’expérience, selon son groupe assigné.

Désignation du groupe	Système laser utilisé	Nombre de spécimens	Réglage de puissance appliqué (W)	Temps d’exposition
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	Euh, 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	Contrôle	8

Tableau 1 : Aperçu des groupes d’étude expérimentale et des paramètres laser.

Stabilisation des échantillons dans le support imprimé en 3D
Pour l’irradiation, le support de stabilisation imprimé en 3D était fixé à un plateau rigide pour empêcher les mouvements lors de l’application du laser. Chaque cylindre de titane était inséré verticalement dans sa fente désignée, la surface plane faisant face à la voie d’irradiation. Le support maintenait un angle d’irradiation fixe de 15°, standardisant la géométrie d’interaction entre la pointe du laser et la surface en titane. La pièce à main était guidée le long du canal support pour assurer une trajectoire d’irradiation cohérente à travers les échantillons.

Placement des thermocouples et mesures de température de base
Un thermocouple de type K était inséré dans le canal central de chaque cylindre de titane jusqu’à obtenir un contact métallique stable (Figure 2). Le thermocouple était relié à un multimètre numérique réglé en mode température (°C). La température de base a été enregistrée après la stabilisation, définie comme une période de fluctuations de température inférieures à 0,1 °C pendant 30 s.

Figure 2 : Cylindres en titane avec canal thermocouple. (A) Vue latérale. (B) Vue latérale inversée. (C) Vue apicale du canal thermocouple. (D) Vue coronale. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Euh, irradiation laser Cr :YSGG
Euh, l’irradiation laser Cr :YSGG a été réalisée dans des conditions continues de pulvérisation d’air et d’eau. La pointe du laser était positionnée en contact direct avec la surface du titane à un angle fixe de 15°. La pointe était balayée le long d’un trajet linéaire de 5 mm à une vitesse de 1 cm/s. Comme l’irradiation a été réalisée en conditions de contact direct, le diamètre d’interaction efficace du laser correspondait approximativement au diamètre de pointe spécifié par le fabricant de 500 μm. Les spécimens ont été irradiés avec des combinaisons puissance-temps de 2,75 W, 3,75 W ou 4,75 W pendant 20 s ou 40 s.

Irradiation laser à diode
L’irradiation laser à diode a été réalisée en mode onde continue en utilisant une fibre de 400 μm en contact direct avec la surface du titane à un angle fixe de 15°. La fibre était balayée le long d’un trajet linéaire de 5 mm à une vitesse de 1 cm/s. L’empreinte effective de contact sur la surface de titane était déterminée par le diamètre de la fibre utilisé en mode contact direct. Les spécimens ont été irradiés avec des combinaisons de puissance et de temps de puissance de 1,2 W, 1,7 W ou 2,2 W pendant 20 secondes ou 40 secondes.

Enregistrement de la température et calcul de ΔT
Immédiatement après l’irradiation laser, la température post-irradiation était enregistrée à l’aide du thermocouple connecté au multimètre numérique. Le changement de température (ΔT) a été calculé comme la différence entre la post-irradiation et la température de base. Chaque échantillon n’a été irradié qu’une seule fois, et aucune application laser répétée n’a été effectuée sur le même échantillon.

Mesures profilométriques de rugosité de surface
Après les mesures thermiques, les surfaces irradiées ont été nettoyées avec de l’air comprimé sans huile. Chaque échantillon était monté sur l’étage du profilomètre, et une zone de 2 × 2 mm était balayée à l’aide d’une force du stylet de 4 mN, d’une vitesse de balayage de 0,5 mm/s et d’une longueur de coupure de 0,8 mm. Cinq scans ont été effectués par échantillon, et la valeur moyenne de Ra a été calculée (Figure 3).

Figure 3 : Flux de travail expérimental. Préparation de l’échantillon, placement des thermocouples, irradiation laser, enregistrement de température, profilométrie, analyses SEM et AFM. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Results

Analyse de la température
Dans tous les groupes Er,Cr :YSGG, la variation de température est restée inférieure au seuil de sécurité de 10 °C, avec des valeurs allant de –2,65 °C à +2,20 °C. La puissance avait un effet significatif sur le changement de température (p < 0,001), tandis que la durée d’irradiation n’a montré aucune influence significative (p = 0,898). La température la plus basse a été observée en E2 (2,75 W–40 s : –2,65 °C). En revanche, l’irradiation pa...

Discussion

Cette étude a démontré que les interactions au titane laser sont fortement influencées par la longueur d’onde, la puissance de sortie et les effets combinés de la puissance et de la durée d’exposition. Euh,Cr :YSGG L’irradiation a constamment produit des élévations de température en dessous du seuil cliniquement accepté de 10 °C associé à une lésion osseuse^{thermique 3,4}, tandis que l’irradiation laser à diode a montré une charge ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Support de stabilisation imprimé en 3D	Sur mesure	Personnalisé / Non applicable	Unité de stabilisation imprimée en 3D conçue pour corriger l’angle d’irradiation et le chemin de la pièce à main.
Microscope à force atomique (EzAFM-Compact)	Nanomagnetics Instruments, Oxford, Royaume-Uni	URL : https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Utilisé pour la topographie de surface à l’échelle nanométrique et la caractérisation de la rugosité.
Multimètre numérique (Keithley 2000, 6½ ; Digit)	Keithley Instruments	URL : https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	Utilisé avec un thermocouple de type K pour la mesure de la température.
Laser Diode Épique (940 nm)	Biolase, Irvine, CA, États-Unis	URL : https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	Système laser à diodes à onde continue (940 nm) ; ajustable 0,5 & ndash ; 10 W de sortie ; utilisé pour l’irradiation en mode tissu mou.
Euh, Cr : YSGG Système laser (Waterlase iPlus, 2780 nm)	Biolase, Irvine, CA, États-Unis	URL : https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	Euh, laser Cr :YSGG (2780 nm) utilisé avec le pistolet Ziptip MZ-5, 9 mm ; opéré en mode gingidectomie avec air continu et ndash ; Jet d’eau.
Éthanol, 70 % (v/v)	Ulusoy Kozmetik  ;	URL : https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	Nettoyage des surfaces des échantillons
Logiciel de contrôle et d’analyse EzAFM	Nanomagnetics Instruments, Oxford, Royaume-Uni	URL : https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Utilisé pour le contrôle AFM, l’acquisition de données et le traitement d’images.
IBM SPSS Statistiques 25	; IBM Corp., Armonk, NY, États-Unis	Version 25	Utilisé pour des analyses statistiques incluant les tests de normalité, les comparaisons non paramétriques et l’ANOVA bidirectionnelle.
; Thermocouple de type K	Non spécifié	Non applicable	Sonde thermocouple de type K utilisée pour l’acquisition de température.
Logiciel de contrôle de microscope (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (anciennement FEI), Hillsboro, OR, États-Unis	URL : https://www.thermofisher.com	Utilisé pour l’acquisition d’images SEM et le contrôle d’instruments.
Pointe de fermeture éclair MZ-5 (9 mm)	Biolase	URL : https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	Astuce utilisée avec Er, Cr :YSGG.
Air comprimé sans huile	; Non spécifié	Non applicable	Utilisé pour enlever les débris des surfaces en titane.
Cire de paraffine	MumveMum (vendu via Trendyol)	; URL : https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	; Utilisé pour revêtir le fil de thermocouple afin de réduire les interférences thermiques.
Profilomètre (Surftest SJ-201)	Mitutoyo, Tokyo, Japon	URL : https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf ?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	Utilisé pour les mesures de Ra sur 2 et plus de temps ; Zone de balayage de 2 mm.
Microscope électronique à balayage (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (anciennement FEI), Hillsboro, OR, États-Unis	URL : https://www.thermofisher.com	Imagerie SEM à 250 et multipliés ; &ndash ; 5000 et fois ; des grossissements.
Conseils E4, 400 & micro ; m, 4 mm	Biolase	URL : https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	Fibre utilisée pour l’irradiation laser à diode.
Cylindres en titane (Grade 4, surface SLA, 5 et times ; 10 mm)	; Naxis, Allemagne	Sur mesure	; Cylindres sur mesure avec un canal interne de 5 mm pour le thermocouple.