方法論記事

インビトロ チタンシリンダーに用いるEr,Cr:YSGGおよびダイオードレーザーの効果評価

DOI：

10.3791/67955

⸱

2025年6月6日

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

この記事について

サマリー

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

この研究では、Er、Cr:YSGG、およびダイオードレーザーを、合計96個の特別に設計されたチタンシリンダーの平面に別々に適用しました。もう一方の表面に熱電対を置き、温度を測定しました。表面粗さは、プロファイラー(表面形状測定機)、SEM、AFMで分析されます。

要約

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

インプラント周囲疾患は、歯科インプラントに関連する重要な問題です。この研究の目的は、非外科的インプラント周囲疾患の治療において、ダイオードとエルビウム、クロムドープイットリウム-スカンジウム-ガリウム-ガーネット(Er、Cr:YSGG)レーザーをチタンシリンダーに適用したときの表面粗さと温度変化を評価することでした。940nmのダイオード(0.8 W-1.3 W-1.8 W)とEr,Cr:YSGG(1.5 W-2.5 W-3.5 W)レーザーを20 s/Wと40 s/Wの6つの出力モードで、対照群を含む計13グループを形成 し、各グループで8本のチタンシリンダーを処理した。このプロセスでは、初期温度と最終温度をシリンダーの頂端スロットに配置した熱電対で記録しました。適用後、すべてのディスクの粗さ(Ra)をプロフィロメーターで測定しました。表面は、走査型電子顕微鏡(SEM)と原子間力顕微鏡(AFM)によってスキャンされ、2次元および3次元の表面検査が行われました。チタンボンベの照射時の温度変化を評価したところ、ダイオードレーザーを40秒間照射したシリンダーは、20秒間照射したシリンダーよりも有意に高かった。Er,Cr:YSGG処理シリンダーでは、一部のサンプルで温度が低下し、一部のサンプルで最小限に上昇しました。プロファイラー(表面形状測定機)の値(Ra)は、すべてのグループの粗さの点で統計的に有意ではありませんでした。しかし、SEM画像では、処理された表面の融解と微細孔の数の増加が示されました。この in vitro 研究の限界により、Er、Cr:YSGG、およびダイオードの適用は、特に熱安全性の観点から、インプラント周囲炎の管理のための安全なアプローチと見なすことができます。表面粗さは変わりませんが、これらのレーザーを使用すると、Tiシリンダートポグラフィーに溶融変化と微細孔が発生しました。これらのレーザー設定が細菌の減少とオッセオインテグレーションにどのように影響するかを明らかにするには、さらなる研究が必要です。

概要

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

歯科インプラントは、失われた歯の交換のための一般的に受け入れられている治療オプションです1,2。インプラント周囲粘膜炎とインプラント周囲炎は、インプラント周囲疾患として分類されます。インプラント周囲粘膜炎は軟部組織に限定されており、生理学的な骨のリモデリングを除いて、骨量の減少の証拠はありません。インプラント周囲炎は、歯垢に関連し、歯科インプラントを取り巻く組織に影響を与える病的状態です。これは、インプラント周囲粘膜の炎症と、その結果としての支持骨の喪失の増加によって区別されます3。障害の開始と進行の主な病因は、インプラント周囲プラークバイオフィルム4の破壊です。インプラント周囲疾患に関する多数の研究は、インプラント周囲粘膜炎 (PIM) の有病率が 9.7% から 64.6% の範囲であるのに対し、インプラント周囲炎 (P) の有病率は 4.7% から 45% の間で変動することを示しています5。

プラークの蓄積はインプラント周囲炎を引き起こす主な病因ですが、その治療はインプラントの多様な地形的特徴によって複雑になります。非外科的インプラント周囲炎治療の基礎は、インプラント表面の創面切除と付着したバイオフィルムの除去による感染管理であり、細菌負荷を病気の原因となる閾値 6,7 未満に減少させます。チタン界面と骨欠損の解剖学的構造の複雑なミクロトポグラフィーとマクロトポグラフィーは、表面の除染を制限します。さまざまな機械的 (キュレット、超音波装置、エアパウダー摩耗、チタンブラシ)、化学的 (クエン酸、クロルヘキシジン、抗菌)、および物理的 (レーザー、光線力学療法) の除染技術の有効性が、組み合わせて評価されています8。現在の研究では、インプラント周囲炎に対する非外科的介入技術の併用は、創面切除単独よりも効果的であることが示唆されています9。化学抗菌剤または局所/全身性抗生物質の機械的治療への組み込みは、有意な有効性を示しています。それにもかかわらず、これらの介入は、起こりうる悪影響をもたらす可能性があります10.レーザー技術が進歩するにつれて、歯科用レーザーは、その抗感染性、解毒性、およびインプラント表面10,11へのユーザーフレンドリーな効果のためにますます人気が高まっています。

吸収ピーク、デバイスの動作モード、および組織特性は、レーザー照射中の熱増加に影響を与えます。重要な前臨床調査により、温度が50°Cに1分間上昇すると血管の損傷を引き起こし、60°Cに上昇すると血流が停止し、その後の骨壊死につながることが明らかになりました12。 in vitro の研究では、ダイオードレーザーをわずか10秒間照射した後、インプラント表面が骨の安全性閾値(10°C)よりも高い温度に達する可能性があることがわかりました。骨の生存率は、わずか10°Cの温度上昇によって損なわれる可能性があります13。

最近の多くの研究は、この領域におけるレーザーの有益な影響を調べることに集中しています14,15,16,17,18。さまざまなレーザー波長は、適切なパラメータが適用されると、インプラント表面に大きな抗菌効果と安全性を示します。強度、周波数、波長など、多くの変数がレーザー治療の有効性に影響を与えます。いくつかの研究は、CO2、Er:YAG、Er、Cr:YSGGおよびさまざまなダイオードレーザーを含むさまざまなレーザー波長の殺菌効果を実証しており、インプラント周囲炎の治療におけるさまざまなレーザーの有益な効果を特定することができます。青木ら 19,20,21.彼らのレビューから、レーザーの適用は、再生治療を含む非外科的および外科的インプラント周囲治療の両方で表面洗浄を容易にし、周囲の組織細胞を活性化することによって治癒を促進すると結論付けました22。

ダイオードレーザーは、インプラントの表面パターンに影響を与えることなく、インプラント表面に殺菌効果を発揮する能力を持っています。インプラント周囲炎の治療に関しては、ダイオードレーザーは歯周組織の治癒を促進するため、進むべき道かもしれません23,24,25。

エルビウム、クロムドープ:イットリウム、スカンジウム、ガリウム、ガーネット(Er、Cr:YSGG)レーザーは、バイオフィルムの除去とインプラント表面の除染に効果的な特性を示します11。強力な殺菌効果と骨再生特性は、エルビウムレーザーによって機械的損傷を引き起こすことなく、その水力特性のおかげで実証されました11,14。

チタンインプラントへのレーザー照射による変化については、データが不足しています。さらに、チタン表面の照射に関する決定的な方法論は、出力や印加時間などのレーザーパラメータを網羅する未だに定義されていません。以前の研究では、Er、Cr:YSGGレーザー16の適用は温度変化に影響を与えなかったことが示されましたが、ダイオードレーザーの研究は13を超え、臨界値の16,26を超えませんでした。チタン表面のRa値に対するレーザー処理の影響の異なる結果は、文献18,27で利用可能である。この研究の帰無仮説は、Er、Cr:YSGGレーザーとダイオードレーザーの間に、チタン表面の温度と粗さの変化の点で違いはないというものです。この研究は、Er、Cr:YSGG、およびダイオードレーザーを使用して、さまざまな時間と出力の設定でチタン材料の表面粗さと温度変化を監視することにより、安全な動作パラメータを決定することを目的としています。温度変化の評価は熱電対で行い、表面粗さはプロファイラー(表面形状測定機)で評価し、表面変化はSEMおよびAFM技術で分析しました。

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プロトコル

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

注:従来のインプラントと同じ材料で作られ、SLA技術でインプラント表面を再現するように設計されたチタンシリンダーは、高さ10mm、直径5mmを特徴としています。円柱の中央には、深さ7mm、幅3mmの空洞が配置されています(図2)。3mmの幅は、最も深いところで1mmに縮小されます。プロフィロメータで標準的なインプラントの表面粗さを測定することは現実的ではありません。メーカーが設計したチタンシリンダーの上部にある直径5mmの平面にレーザーを当てた場合、インプラント表面をシミュレートするのと同じ材料を使用して、レーザーの効果を評価することができました。また、シリンダーの中心からの温度変化を測定するために、チタンシリンダーの底面の中心から、熱電対の先端を配置するシリンダーの深さに向かって、深さ7mm、幅3mmの溝が作られました。この溝により、処理面の温度変化を外面に依存するのではなく、シリンダー内から評価することができます。3次元のビジュアルは、原子間力顕微鏡(AFM)を使用して特別に製造されたチタンシリンダーの平面を分析することにより得られました。940 nmのダイオード(0.8 W28、1.3 W29、1.8 W30)と2.780 nm Er、Cr:YSGG(1.5 W31、2.5 W31、3.5 W32)レーザーを、会社の推奨に従って3つの異なるワット数で使用し、それぞれ20秒と40秒の印加時間で12のグループを形成しました。適用後、粗さ評価のための対照群を追加しました。フィンガーサポート付きのスタンドは、塗布中にTiシリンダーを安定させるために、3次元プリンターから印刷されました(材料表)。

1.サンプルサイズ

  1. G*Powerプログラムのパワー解析を使用してサンプルサイズを計算します。各グループの最小サンプル数は、効果サイズd:0.6906、標準偏差16.8、検出力:0.80、α:0.05の温度変化について、n=8サンプルとして決定されました。
    注:この研究では、直径300μmのチップ(e3チップ)と360°の発射弾性RFPT5-14チップ(直径580μm、長さ14mm)を備えた940nmダイオードレーザーを搭載したEr、Cr:YSGGレーザーをレーザーシステムとして使用しました(図1)。

figure-protocol-1
図1:使用した機器・機器(A)ダイオードレーザー、(B)Er,Cr:YSGGレーザー、(C)E3チップ、(D)RPTF5-14チップこの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. ワーキンググループの決定

  1. インプラント周囲粘膜炎のポケット内アプリケーションのためのレーザーの推奨ワットを理想的な使用条件として取ってください。さらに、推奨されるワットに対して低い値と高い値を 1 つずつ研究グループに含めます。ここで使用される値は、Er、Cr:YSGG が 1.5 W と 3.5 W、ダイオード レーザーが 0.8 W と 1.8 W です。
  2. アプリケーション時間を 20 秒と 40 秒と決定して、動作時間が温度変化に及ぼす影響を評価します。学習グループを 表1に示します。
グループ名レーザータイプサンプル数(n)ワット (W)時間 (秒)
E1えー、Cr:YSGG81.5 W20
E2の82.5 W20
E383.5 W20
E481.5 W40
E582.5 W40
E6の83.5 W40
D1ダイオード80.8 W20
D281.3 W20
D381.8 W20
D480.8 W40
D5 の81.3 W40
D681.8 W40
Cコントロール8

表1:研究グループの情報。

3. 実験装置の準備

  1. Rhinoceros(3Dグラフィックスおよびデザイン)プログラムを使用して、直径10 mm、厚さ5 mmのわずかに空洞を持つシリンダースタンドを3Dで設計します。
    1. アプリを開きます。直径10mmの円を描きます。円を1つの軸から50%減らして楕円を作成します。Extuder を押して、楕円を 3 次元で上げます。
    2. 指で支えるために、もう一度円を描きます。エクストルーダーキーで3次元の2番目の円を上げます。高さを最初の円より小さくします。
    3. 楕円図面に10 mmの穴をあけます。熱電対のサポートには、Sweep 1コマンドでL字型の線を作成し、3次元を作成します。
    4. 正方形を描き、extruderコマンドで3次元に拡大し、ベースを作成します。デザインを印刷した後、Tiシリンダーが来る穴の周りにシリコンを塗布して乾燥させます。これにより、レーザーが照射されている間、シリンダーが所定の位置に保たれます。
  2. エアコン付きの密閉された部屋を27°Cの温度にしてください。 シリンダーを固定するスタンドをプラスチックの浴槽の中央に両面テープで固定します。
    注意: Tiシリンダーを挿入し、表面に空気を絞ります。
  3. 温度計の熱電対を、スタンドのスロットに配置されたTiシリンダーの中空部分に置きます。
  4. 適用時間を追跡するためのクロノメーターを準備します。3人目の観測者による度数を記録し、ストップウォッチで時間を追跡します。

4. 実験手順

  1. レーザー照射中は、施術者の安全のために保護メガネを着用してください。RPTF5-14チップをEr、Cr:YSGGレーザーに挿入します。ダイオードレーザー用のチップE3を挿入します。
  2. Er、Cr:YSGGレーザーをオンにします。 Perio Closed Modeを選択します。1.5 W、2.5 W、3.5 Wのレーザーをそれぞれ20秒と40秒に適用します。レーザーが印加された96本のTiシリンダーがあります。Tiシリンダーにレーザータイプ1種類、1ワット、1回だけ照射します。
  3. ダイオードレーザーをオンにします。 Perio Pocket Modeを選択します。0.8 W、1.3 W、1.8 Wのレーザーをそれぞれ20秒と40秒に適用します。
  4. レーザーが始まったら、3人目のオブザーバーにタイマーをスタートさせます。時間切れになったら警告してください。
  5. レーザーチップを表面に対して15°の角度で接触させ、計画された時間だけ表面全体をジグザグに動かします。
  6. アプリケーション中の初期温度と最終温度の値に注意してください。終了温度値から開始温度値を減算します。温度変化を計算します。
    注意: 合計 12 グループ、6 Er、Cr:YSGG、および 6 つのダイオード レーザー グループの温度変化値に注意してください。
  7. サンプルは、グループ番号が書かれた透明な袋に保管してください。

5.材料の2次元および3次元イメージング

  1. 走査型電子顕微鏡(SEM)および原子間力顕微鏡(AFM)分析を実施して、Tiシリンダー表面の形態の変化を評価および実証します。
    注:FEI Quanta FEG 250装置を使用しました。
  2. SEMに入れる前にサンプルをコーティングしないでください。1つの対照グループ、6つのダイオードレーザーグループ、および6つのEr、Cr:YSGGレーザーグループを含む13のグループがあります。対照群は処理を行わず、AFMとSEMによる表面画像のみ撮影します。
  3. 13の研究グループのそれぞれから1つのシリンダーをランダムに選択します。それらをSEMデバイスに挿入します。サンプルの混在を避けるために、プラットフォーム上の場所とサンプルコードに注意してください。
  4. Tiシリンダーを平らな面を上にしてSEMデバイスに配置します。低真空モードを使用して解析を実行します。分析中はチャンバー圧力を60Paに設定します。
  5. デバイスの準備が完全に整ったら、平面上のランダムな点から250倍、1000倍、5000倍の倍率で画像を記録します。すべてのサンプルについてこの手順を繰り返します。
    注意: SEMデバイスが掃除機をかけると、画像収集の準備が整います。
  6. AFM測定の場合は、各スタディグループから1つのTiシリンダーをランダムに選択します。タッピングモードで測定を行います。
    1. TiシリンダーをAFM装置に配置します。装置の先端がサンプルにくるようにトップカバーを置きます。機器の窓からの赤い光が、画像化する表面にあることを確認します。
    2. 電圧を2に設定します。Auto landボタンでチップをサンプルに近づけます。 [スキャンの開始 ]ボタンを押してスキャンを開始します。
  7. 各サンプルについて5 μm x 5 μmのデジタル画像を撮影し、低速のスキャン速度(1 Hz)で記録します。AFM装置で撮影したTiシリンダーの平面からの画像を記録します。AFM装置は25μm2の領域を視覚化します。

6. 表面粗さの測定

注:ここでは、Surftest SJ 201、東京、ミツトヨのデバイスを使用しました。

  1. プロファイラー(表面形状測定機)の分解能を0.01 mm、横方向の長さを3.0 mm、ダイヤモンド記録ピン先端の直径を5 μmに設定します。測定速度を0.5mm/sに設定して、Ra値を求めます。
  2. Tiシリンダーをホルダーで固定し、プレセルを使用し、Tiシリンダーを側面から保持して固定します。プロフィロメータの針をTi表面に接触させます。
  3. スタートボタンを押します。見つかった Ra 値を保存します。各シリンダーの平らな面で、測定を異なる方向に5回繰り返します(図2)。さまざまな方向を達成するために、プリセルの助けを借りてTiシリンダーをそれ自体の周りで動かします。Tiシリンダーの全長についても繰り返します。

figure-protocol-2
図2:研究グループのフローチャート。 (1A)Tiシリンダー側面図、(1B)上面図、(1C)底面図この 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

7. 統計解析

  1. SPSS-Windows 統計パッケージ・プログラムを使用して統計分析を実行し、Kruskal-Wallis 検定と Mann-Whitney 検定を適用します。統計的信頼水準を 95% (α = 0.05) に設定します。

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結果

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20秒と40秒の塗布時間で評価したところ、統計学的に有意な差が認められました。40秒レーザーを適用したTiシリンダー表面の温度変化は、適用した20秒レーザーの温度変化よりも大きいことが観察されました(p = 0.037; 図3)。

figure-results-1
図3:すべてのサンプルの時間による温度変化。 ボックスから上下に伸びる線は、データの最小値と最大値を示しています。ボックス内の水平線は、データの中央値を表します。丸いマークは外れ値です。
a=40 sグループと比較して統計的に有意な差。0<0,05頁)
 

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ディスカッション

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

インプラント周囲炎の治療におけるインプラント表面の除染の最適な方法について、重要な議論が進行中です。以前の出版物では、局所または全身の医薬品の利用、レーザー応用、機械的および/または化学的洗浄、およびインプラント形成術が提案されています。私たちの調査結果は、すべての測定された温度が10°Cの重大な安全しきい値を下回っていることを明らかにしました13。しかし、これは in vitro 研究であり、常に臨床状態を再現できるとは限らないことを念頭に置いて、Er、Cr:YSGGレーザーおよびダイオードレーザーの使用により、インプラントトポグラフィーの溶融変化と微細孔が引き起こされ、表面粗さは変化しないことが観察されました。

Ho:YAGおよびNd:YAG33レーザーの除染への使用は、表面効果のために不適切であると報告されました。しかし、Er,Cr:YSGGレーザ34

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開示事項

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

著者には、開示すべき利益相反はありません。

謝辞

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

この研究で使用されたチタンシリンダーは、Naxis Implantによって製造されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
原子間力顕微鏡ezAFMのコンパクトAFMモデル
ダイオードバイオラーゼエピック10、940nm波長
E3 チップ繊維直径:300&マイクロ;m、ファイバー長:9 mm
Er、Cr:YSGGレーザーアイプラス2780nmの波長
プロフィロメーターミツトヨサーフテストSJ-201モデル
RFPT-14 チップ外径:580&マイクロ;m、先端の長さ:14 mm
走査型電子顕微鏡飛クアンタFEG 250モデル
立つカスタムデザインサイアプリケーション、Flamix PLAフィラメント、Bambulab X1Cデバイス
温度計ケースレー2000シリーズモデル、Kチップターモクルプ
チタンシリンダーナクシス高さ10mm、直径5mm、SLA表面、チタン

参考文献

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