Articolo metodologico

In vitro Valutazione degli effetti dei laser a diodi Er, Cr: YSGG e utilizzati sul cilindro in titanio

DOI:

10.3791/67955

⸱

6 giugno 2025

 ,  , 
1Faculty of Dentistry, Department of Periodontology, Akdeniz University

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In questo studio, i laser Er,Cr:YSGG e i laser a diodi sono stati applicati separatamente sulla superficie piana di un totale di 96 cilindri in titanio appositamente progettati. Una termocoppia posta sull'altra superficie e la temperatura è stata misurata. Rugosità superficiale analizzata con profilometro, SEM e AFM.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le malattie perimplantari sono problemi significativi associati agli impianti dentali. Lo scopo di questo studio è stato quello di valutare la rugosità superficiale e le variazioni di temperatura quando i laser a diodi ed erbio, ittrio-scandio-gallio-granato drogato con cromo (Er,Cr:YSGG) vengono applicati su cilindri di titanio nel trattamento di malattie perimplantari non chirurgiche. Un totale di 13 gruppi, incluso il gruppo di controllo, sono stati formati con diodi da 940 nm (0,8 W-1,3 W-1,8 W) e laser Er,Cr:YSGG (1,5 W-2,5 W-3,5 W) in 6 diverse modalità di potenza, 20s/W e 40 s/W, e otto cilindri di titanio sono stati trattati in ciascun gruppo. Durante il processo, le temperature iniziale e finale sono state registrate con una termocoppia posizionata nella fessura apicale del cilindro. Dopo l'applicazione, la rugosità (Ra) di tutti i dischi è stata misurata da un profilometro. Le superfici sono state scansionate mediante microscopio elettronico a scansione (SEM) e microscopio a forza atomica (AFM) per l'esame bidimensionale e tridimensionale delle superfici. Quando sono state valutate le variazioni di temperatura dei cilindri di titanio durante l'irradiazione, i cilindri irradiati con un laser a diodi per 40 s erano significativamente superiori a quelli irradiati per 20 s. Nei cilindri trattati con Er,Cr:YSGG, la temperatura è diminuita in alcuni campioni ed è aumentata minimamente in alcuni campioni. I valori del profilometro (Ra) non erano statisticamente significativi in termini di rugosità per tutti i gruppi. Tuttavia, le immagini SEM hanno mostrato la fusione e un aumento del numero di micropori sulle superfici trattate. Con i limiti di questo studio in vitro , l'applicazione dell'Er,Cr:YSGG e del diodo può essere considerata un approccio sicuro per la gestione della perimplantite, in particolare in termini di sicurezza termica. Mentre la rugosità superficiale rimane invariata, l'uso di questi laser ha provocato cambiamenti di fusione e micropori sulla topografia del cilindro di Ti. Per determinare in che modo queste impostazioni laser influenzano la diminuzione batterica e l'osteointegrazione, sono necessarie ulteriori ricerche.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli impianti dentali sono un'opzione di trattamento comunemente accettata per la sostituzione dei denti persi 1,2. La mucosite perimplantare e la perimplantite sono classificate come malattie perimplantari. La mucosite perimplantare è limitata ai tessuti molli e non vi è evidenza di perdita ossea, ad eccezione del fisiologico rimodellamento osseo. La perimplantite è una condizione patologica associata alla placca e colpisce i tessuti che circondano gli impianti dentali. Si distingue per l'infiammazione della mucosa perimplantare e la conseguente crescente perdita dell'osso di supporto3. Il fattore eziologico primario per l'inizio e la progressione della malattia è la rottura del biofilm della placca perimplantare4. Numerosi studi sulle malattie perimplantari indicano che la prevalenza della mucosite perimplantare (PIM) varia dal 9,7% al 64,6%, mentre la prevalenza della perimplantite (P) varia tra il 4,7% e il 45%5.

Sebbene l'accumulo di placca sia il principale fattore eziologico che causa la perimplantite, il suo trattamento è complicato dalle diverse caratteristiche topografiche degli impianti. Il fondamento del trattamento non chirurgico della perimplantite è la gestione delle infezioni attraverso lo sbrigliamento della superficie dell'impianto e l'eliminazione del biofilm aderente per ridurre la carica batterica al di sotto della soglia che causa la malattia 6,7. La complessa micro e macro-topografia delle interfacce in titanio e l'anatomia dei difetti ossei limitano la decontaminazione superficiale. L'efficacia di diverse tecniche di decontaminazione meccanica (curette, dispositivi ad ultrasuoni, abrasione aria-polvere, spazzole in titanio), chimica (acido citrico, clorexidina, antimicrobici) e fisica (laser, terapia fotodinamica) è stata valutata in combinazione8. La ricerca attuale suggerisce che l'uso combinato di tecniche di intervento non chirurgiche per la perimplantite è più efficace del solo sbrigliamento9. L'incorporazione di agenti chimici antimicrobici o antibiotici locali/sistemici nella terapia meccanica ha dimostrato un'efficacia significativa; Tuttavia, questi interventi potrebbero comportare possibili conseguenze negative10. Con l'avanzare della tecnologia laser, i laser dentali sono diventati sempre più popolari grazie ai loro effetti antinfettivi, disintossicanti e di facile utilizzo sulle superfici degli impianti10,11.

Il picco di assorbimento, la modalità operativa del dispositivo e le proprietà dei tessuti influenzano l'aumento di calore durante l'irradiazione laser. Un'indagine preclinica cruciale ha rivelato che un aumento della temperatura a 50 °C per 1 minuto causava danni vascolari, mentre un aumento a 60 °C portava alla cessazione del flusso sanguigno e alla successiva necrosi ossea12. Un'indagine in vitro ha rilevato che dopo soli 10 secondi di irradiazione laser a diodi, le superfici implantari potrebbero raggiungere temperature superiori alla soglia di sicurezza ossea (10 °C). La vitalità ossea potrebbe essere compromessa da un aumento della temperatura di soli 10 °C13.

Numerosi studi recenti si sono concentrati sull'esame dell'impatto benefico dei laser in questo dominio 14,15,16,17,18. Varie lunghezze d'onda del laser dimostrano un impatto antibatterico significativo e la sicurezza sulle superfici dell'impianto quando vengono applicati i parametri appropriati. Una serie di variabili, tra cui intensità, frequenza e lunghezza d'onda, influenzano l'efficacia dei trattamenti laser. Diversi studi hanno dimostrato l'effetto battericida di varie lunghezze d'onda del laser, tra cui CO2, Er:YAG, Er,Cr:YSGG e vari laser a diodi, che ci permette di identificare gli effetti benefici di diversi laser nel trattamento della perimplantite. Aoki et al 19,20,21. Dalla loro revisione si è concluso che l'applicazione del laser facilita la pulizia della superficie sia nei trattamenti non chirurgici che in quelli chirurgici perimplantari, compresa la terapia rigenerativa, e promuove la guarigione attivando le cellule tissutali circostanti22.

I laser a diodi hanno la capacità di esercitare un effetto battericida sulle superfici dell'impianto senza alterare il modello di superficie dell'impianto. Quando si tratta di trattare la perimplantite, il laser a diodi può essere la strada da percorrere perché favorisce la guarigione dei tessuti parodontali 23,24,25.

I laser ad erbio, drogati con cromo: ittrio, scandio, gallio, granato (Er,Cr:YSGG) mostrano proprietà efficaci per l'eliminazione del biofilm e la decontaminazione delle superfici implantari11. I laser ad erbio hanno dimostrato forti effetti battericidi e proprietà di rigenerazione ossea senza causare danni meccanici grazie alle loro proprietà alimentate ad acqua 11,14.

Mancano i dati relativi alle alterazioni causate dall'irradiazione laser sugli impianti in titanio. Inoltre, deve ancora essere definita una metodologia definitiva per l'irradiazione delle superfici in titanio, che comprenda parametri laser come la potenza e il tempo di applicazione. Studi precedenti hanno dimostrato che l'applicazione del laser Er,Cr:YSGG16 non ha avuto alcun effetto sul cambiamento di temperatura, tuttavia, gli studi sul laser a diodi hanno superato13 e non hanno superato16,26 il valore critico. Diversi risultati dell'effetto del trattamento laser sul valore Ra della superficie in titanio sono disponibili in letteratura18,27. L'ipotesi nulla dello studio è che non ci sarà alcuna differenza tra i laser Er, Cr: YSGG e i laser a diodi in termini di variazione di temperatura e rugosità delle superfici in titanio utilizzando. Questo studio mirava a determinare parametri operativi sicuri monitorando la rugosità superficiale e le variazioni di temperatura sul materiale in titanio utilizzando Er, Cr:YSGG e laser a diodi a varie impostazioni di tempo e potenza. La valutazione della variazione di temperatura è stata condotta con una termocoppia, la rugosità superficiale è stata valutata utilizzando un profilometro e le alterazioni superficiali sono state analizzate attraverso tecniche SEM e AFM.

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Protocollo

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NOTA: I cilindri in titanio, realizzati con lo stesso materiale degli impianti convenzionali e progettati per replicare la superficie dell'impianto con la tecnologia SLA, presentano un'altezza di 10 mm e un diametro di 5 mm. Al centro dei cilindri si trova una cavità di 7 mm di profondità e 3 mm di larghezza (Fig. 2). La larghezza di 3 mm si riduce a 1 mm nel punto più profondo. Non è possibile misurare la rugosità superficiale degli impianti standard con un profilometro. È stato possibile valutare l'efficacia del laser applicato su una superficie piana di 5 mm di diametro nella parte superiore del cilindro in titanio progettato dal produttore, utilizzando lo stesso materiale che simula la superficie dell'impianto. Inoltre, per misurare le variazioni di temperatura dal centro del cilindro, è stata creata una scanalatura profonda 7 mm e larga 3 mm dal centro della superficie inferiore del cilindro in titanio verso la profondità del cilindro, dove verrà posizionata la punta della termocoppia. Questa scanalatura consente di valutare la variazione di temperatura della superficie trattata dall'interno del cilindro, piuttosto che in base alla superficie esterna. Le immagini tridimensionali sono state ottenute analizzando le superfici piane di cilindri di titanio appositamente prodotti utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM). Sono stati utilizzati laser a diodo da 940 nm (0,8 W28, 1,3 W29, 1,8 W30) e 2,780 nm Er,Cr:YSGG (1,5 W31, 2,5 W31, 3,5 W32) a tre diversi wattaggi secondo le raccomandazioni dell'azienda e sono stati formati 12 gruppi con un tempo di applicazione di 20 s e 40 s ciascuno. Dopo l'applicazione, è stato aggiunto un gruppo di controllo per la valutazione della rugosità. Un supporto con un supporto per le dita è stato stampato da una stampante tridimensionale per mantenere stabile il cilindro di Ti durante l'applicazione (Tabella dei materiali).

1. Dimensione del campione

  1. Calcolare la dimensione del campione utilizzando l'analisi della potenza del programma G*Power. Il numero minimo di campioni per ciascun gruppo è stato determinato come n=8 campioni per la variazione di temperatura con dimensione dell'effetto d: 0,6906, deviazione standard 16,8, potenza: 0,80 e α: 0,05.
    NOTA: In questo studio, come sistema laser è stato utilizzato un laser Er,Cr:YSGG dotato di un laser a diodi da 940 nm con una punta di 300 μm di diametro (punta e3) e una punta elastica RFPT5-14 a 360° (580 μm di diametro e 14 mm di lunghezza) (Figura 1).

figure-protocol-1
Figura 1: Strumenti e attrezzature utilizzate. (A) Laser a diodi, (B) Laser Er,Cr:YSGG, (C) Punta E3, (D) Punta RPTF5-14. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Determinazione dei gruppi di lavoro

  1. Prendi il Watt raccomandato di laser per l'applicazione in tasca nella mucosite perimplantare come condizione ideale di utilizzo. Inoltre, includere un valore più basso e un valore più alto nei gruppi di studio rispetto al Watt raccomandato. I valori utilizzati qui sono 1,5 W e 3,5 W per Er,Cr:YSGG e 0,8 W e 1,8 W per il laser a diodi.
  2. Determinare il tempo di applicazione come 20 s e 40 s per valutare l'effetto del tempo di funzionamento sulla variazione di temperatura. I gruppi di studio sono illustrati nella Tabella 1.
Nome gruppoTipo di laserNumero di campioni (n)Watt (W)Tempo (i)
E1Er,Cr:YSGG81,5 W20
E282,5 W20
E383,5 W20
E481,5 W40
E582,5 W40
E683,5 W40
D1Diodo80,8 W20
D281,3 W20
D381,8 W20
D480,8 W40
D581,3 W40
D681,8 W40
CControllo8

Tabella 1: Informazioni sui gruppi di studio.

3. Preparazione del setup sperimentale

  1. Con il programma Rhinoceros (grafica e progettazione 3D), è possibile progettare un supporto cilindrico in 3D con una cavità leggermente con un diametro di 10 mm e uno spessore di 5 mm.
    1. Apri l'app. Disegna un cerchio di 10 mm di diametro. Ridurre il cerchio del 50% da un asse per creare un'ellisse. Premi Estrattore e solleva l'ellisse nella terza dimensione.
    2. Disegna di nuovo un cerchio per il supporto delle dita. Solleva il secondo cerchio nella terza dimensione con la chiave dell'estrusore. Rendi l'altezza inferiore al primo cerchio.
    3. Praticare un foro di 10 mm nel disegno ellittico con il comando booleano. Per il supporto della termocoppia, creare una linea a forma di L con il comando Sweep 1 e creare la 3a dimensione.
    4. Disegna un quadrato, ingrandiscilo nella 3a dimensione con il comando estrusore e crea la base. Dopo aver stampato il disegno, applicare del silicone attorno al foro in cui arriverà il cilindro di Ti e asciugarlo. Ciò manterrà il cilindro in posizione durante l'applicazione del laser.
  2. Portare una stanza chiusa con aria condizionata a una temperatura di 27 °C. Fissare il supporto su cui verranno fissati i cilindri al centro di una vasca di plastica con del nastro biadesivo.
    NOTA: Inserire il cilindro Ti, spremere l'aria sulla superficie.
  3. Posizionare la termocoppia del termometro nella parte cava del cilindro Ti posta nella sua fessura sul supporto.
  4. Prepara un cronometro per tenere traccia del tempo di applicazione. Registra i gradi dal 3° osservatore e tieni traccia del tempo con il cronometro.

4. Procedura sperimentale

  1. Durante l'applicazione del laser, indossare occhiali protettivi per la sicurezza del professionista. Inserire la punta RPTF5-14 per laser Er,Cr:YSGG. Inserire la punta E3 per il laser a diodi.
  2. Accendi il laser Er,Cr:YSGG. Selezionare la modalità chiusa Perio. Applicare laser da 1,5 W, 2,5 W e 3,5 W per 20 s e 40 s ciascuno. Ci sono 96 cilindri di Ti con laser applicato. Irradia un cilindro di Ti con un solo tipo di laser, un watt e una volta.
  3. Accendi il laser a diodi. Seleziona la modalità Perio Pocket. Applicare laser da 0,8 W, 1,3 W e 1,8 W per 20 s e 40 s ciascuno.
  4. Chiedi al 3° osservatore di avviare il timer quando il laser si avvia. Avvisalo quando il tempo è scaduto.
  5. Applicare la punta del laser con un angolo di 15° rispetto alla superficie, a contatto, zigzagando su tutta la superficie per il tempo previsto.
  6. Annotare i valori di temperatura iniziale e finale durante l'applicazione. Sottrarre il valore della temperatura iniziale dal valore della temperatura finale. Calcola la variazione di temperatura.
    NOTA: Annotare i valori di variazione della temperatura per un totale di 12 gruppi, 6 gruppi laser Er, Cr:YSGG e 6 diodi.
  7. Conservare i campioni in sacchetti trasparenti con i numeri di gruppo scritti sopra.

5. Imaging bidimensionale e tridimensionale dei materiali

  1. Eseguire analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) e al microscopio a forza atomica (AFM) per valutare e dimostrare i cambiamenti nella morfologia della superficie del cilindro di Ti.
    NOTA: È stato utilizzato lo strumento FEI Quanta FEG 250.
  2. Non rivestire i campioni prima di essere inseriti nel SEM. Ci sono 13 gruppi, tra cui 1 gruppo di controllo, 6 gruppi laser a diodi e 6 gruppi laser Er,Cr: YSGG. Per il gruppo di controllo, non eseguire alcun trattamento, ma solo acquisire immagini di superficie tramite AFM e SEM.
  3. Seleziona casualmente un cilindro da ciascuno dei 13 gruppi di studio. Inserirli nel dispositivo SEM. Prendere nota della posizione sulla piattaforma e del codice di esempio per evitare di mescolare i campioni.
  4. Posizionare il cilindro Ti nel dispositivo SEM con la superficie piana rivolta verso l'alto. Eseguire analisi utilizzando la modalità Basso vuoto. Impostare la pressione della camera a 60 Pa durante l'analisi.
  5. Una volta che il dispositivo è completamente pronto, registra le immagini con ingrandimento 250x, 1000x e 5000x da un punto casuale sulla superficie piana. Ripetere questa procedura per tutti i campioni.
    NOTA: Al termine dell'aspirazione, il dispositivo SEM è pronto per la raccolta delle immagini.
  6. Per la misurazione AFM, selezionare casualmente un cilindro di Ti da ciascun gruppo di studio. Eseguire la misurazione in modalità maschiatura.
    1. Posizionare il cilindro Ti nello strumento AFM. Posizionare il coperchio superiore in modo che la punta dello strumento si trovi sopra il campione. Verificare che la luce rossa della finestra sullo strumento sia sulla superficie da riprendere.
    2. Impostare la tensione su 2. Avvicina la punta al campione con il pulsante Auto land. Avviare la scansione premendo il pulsante Avvia scansione .
  7. Acquisire un'immagine digitale di 5 μm x 5 μm per ciascun campione e registrarla a una velocità di scansione lenta (1 Hz). Registra le immagini scattate con lo strumento AFM dalle superfici piane dei cilindri in Ti. Lo strumento AFM visualizza un'area di 25 μm2 .

6. Misurazione della rugosità superficiale

NOTA: Il dispositivo Surftest SJ 201, Mitutoyo, Tokyo, Giappone, è stato utilizzato qui.

  1. Impostare la risoluzione del profilometro a 0,01 mm, la lunghezza trasversale a 3,0 mm e il diametro della punta del perno di registrazione a diamante a 5 μm. Impostare la velocità di misurazione su 0,5 mm/s per determinare il valore Ra.
  2. Fissare il cilindro Ti con un supporto, utilizzare il presel e fissare il cilindro Ti tenendolo dalla superficie laterale. Posizionare l'ago del profilometro a contatto con la superficie del Ti.
  3. Premere il pulsante Start. Salvare il valore Ra trovato. Ripetere la misurazione 5 volte in direzioni diverse sulla superficie piana di ciascun cilindro (Figura 2). Per ottenere le varie direzioni, muovi il cilindro Ti su se stesso con l'aiuto di un presell. Ripetere per l'intera lunghezza del cilindro Ti.

figure-protocol-2
Figura 2: Diagramma di flusso dei gruppi di studio. (1A) vista laterale del cilindro Ti, (1B) vista dall'alto, (1C) vista dal basso Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

7. Analisi statistica

  1. Eseguire analisi statistiche utilizzando il pacchetto statistico SPSS-Windows e applicare i test di Kruskal-Wallis e Mann-Whitney. Imposta il livello di confidenza statistica al 95% (α = 0,05).

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Risultati

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Dopo una valutazione basata sui tempi di applicazione di 20 secondi e 40 secondi, è stata osservata una differenza statisticamente significativa. È stato osservato che la variazione di temperatura sulle superfici del cilindro di Ti applicato al laser a 40 s è maggiore di quella sul laser a 20 s applicato (p=0,037; Figura 3).

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Discussione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

È in corso un'importante discussione sul metodo ottimale per la decontaminazione delle superfici implantari nel trattamento della perimplantite. Precedenti pubblicazioni hanno proposto l'utilizzo di farmaci locali o sistemici, l'applicazione laser, la pulizia meccanica e/o chimica e l'implantoplastica. I risultati del nostro studio hanno rivelato che tutte le temperature misurate salgono al di sotto della soglia critica di sicurezza di 10 °C13. Tuttavia, tenendo p...

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Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I cilindri in titanio utilizzati nello studio sono stati prodotti da Naxis Implant.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Microscopia a forza atomicaezAFMModello AFM compatto
DiodoBiolasiEpico 10, 940 nm Lunghezza d'onda
Suggerimento E3Diametro della fibra: 300 & micro; m, Lunghezza fibra: 9 mm
Er, Cr: YSGG LaserIplus2780 nm Lunghezza d'onda
ProfilometroMitutoyoModello Surftest SJ-201
Punta RFPT-14Diametro esterno della punta: 580 & micro; m, Lunghezza punta: 14 mm
Microscopio elettronico a scansioneFEIModello Quanta FEG 250
AlzarsiProgettazione personalizzataApplicazione Rhinoceros, filamento PLA Flamix, dispositivo Bambulab X1C
TermometroKeithleyModello serie 2000, termokulp con punta K
Cilindro in titanioAsseAltezza 10 mm, diametro 5 mm, superficie SLA, titanio

Riferimenti

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