er、Cr:YSGG、ダイオードレーザーを用いたレーザーとチタンの相互作用を評価するin vitro法

Summary

本プロトコルは、製造元推奨の軟組織切断設定を用いて、Er、Cr:YSGG、ダイオードレーザー照射時にチタンに対する熱的影響および表面効果を評価する標準化されたin vitro法を記述しています。直接接触熱測定とマルチモーダル表面解析は、波長依存のレーザーチタン相互作用を特性評価するための再現可能なワークフローを提供します。

Abstract

本研究は、製造元推奨の軟組織環境下でEr、Cr:YSGGおよびダイオードレーザー照射時のチタンの熱応答および表面変化を評価するための標準化されたin vitroプロトコルを提示します。内部チャネルを備えたカスタムグレード4チタン製シリンダーにより、組み込み熱電対による直接温度測定が可能となり、レーザーによる熱変化の制御された評価が可能となりました。幾何学的な一貫性を確保し、オペレーターによる変動を最小限に抑えるために、3Dプリントされた安定化システムが用いられ、照射角度、掃走軌道、先端の動きを標準化しました。レーザー照射後の表面変化は、粗さ解析のためのプロフィロメトリー、微小形態学的評価のための走査型電子顕微鏡、ナノスケール地形評価のための原子力顕微鏡などの補完的な手法を用いて定量的および定性的に特徴づけられました。ダイオードレーザー照射は、電力および時間依存の温度上昇を生み出し、最高パラメータの組み合わせは臨床的に認められた10°Cの安全閾値を超えました。対照的に、すべてのEr,Cr:YSGG条件はこの限界を下回っており、波長依存の熱挙動が明確に示唆されました。両レーザーシステムは未処理制御面に比べて表面粗さの有意な増加を誘発し、イメージング解析では波長依存的な微小・ナノスケールの形態の違いが明らかになりました。このプロトコルは、レーザーとチタンの相互作用を体系的に調査するための実験的枠組みを提供し、インプラント部品近くで行われるレーザー支援軟部組織手術のより安全でエビデンスに基づくパラメータ選択を支援する可能性があります。

Introduction

レーザー支援軟部組織手技は、第2段階のインプラント手術やインプラント周囲粘膜管理において広く用いられており、これらの分野では放射線照射がチタン成分の近くで行われることが多い^1,2。このような臨床状況では、チタンの熱的挙動や表面変化の可能性を理解することが不可欠です。なぜなら、過度の温度上昇や表面の破壊はインプラント周囲の骨の完全性や長期的な安定性を脅かす可能性があるからです。^3,4。既存の文献は波長依存のレーザーチタン相互作用に関する貴重な洞察を提供していますが、照射形状、接触モード、角度、表面評価技術の違いなどの方法論的ばらつきは、再現可能かつ臨床的に適用可能な安全閾値を確立する上で課題^{となっています。}

近年の研究では、特にインプラント周軟部組織手技の文脈で、異なるレーザー波長がチタンに与える熱的および表面的影響にますます注目が集まっています。ダイオードレーザーは、チタンに対して出力および時間依存的な温度上昇や表面変化を誘発することが示されており、一部設定は臨床的に関連する熱的閾値を超えることもあり、インプラント部品8,9,10,11付近での熱安全性に懸念が生じています。これに対し、Er,Cr:YSGG系を含むエルビウム系レーザーは、強い水分吸収と水力学的消融機構を特徴とする波長特異的な相互作用を示し、^{適切な条件下で}過剰な熱伝達や表面損傷を抑える^{可能性があります。}これらの進歩にもかかわらず、実験設計の違いや標準化された方法論の欠如により報告されたアウトカムは依然として異質なままです。

これまでの研究では^温度変化9,10,11,15、レーザーによる表面変化14,16,17、またはチタン光学吸収の特定の側面7が検証^{されましたが、}多くの実験モデルではファイバーの角度、先端表面接触、スイープ均一性といったパラメータの標準化された制御が不足していました。これらの差異はエネルギー供給に影響を与え、研究間の比較を複雑にします。さらに、複数の報告で単一モダリティイメージングが用いられているため、チタン表面における波長依存のマイクロおよびナノスケールの変化を検出する能力が制限^{されています。}より統合された分析フレームワークは、レーザーチタン相互作用研究の解釈可能性と臨床的関連性を高める可能性があります¹²。

これらの方法論的ギャップを補うため、本研究では、臨床的に関連しメーカー推奨の軟部組織切断パラメータの下で、チタン表面に対するEr、Cr:YSGG、ダイオードレーザーの相互作用を評価する標準化されたin vitroプロトコルを導入します。製造者が推奨する軟組織設定でEr、Cr:YSGG、ダイオードレーザーを運用すると、チタンの熱応答や表面変異において波長依存的な明確な違いが生じると仮説が立てられました。このプロトコルは、内部熱電対チャネルを備えたカスタム加工されたグレード4チタンシリンダーを採用しており、基準温度および照射後の温度の直接接触測定を可能にし、外部プローブに一般的に伴うアーティファクトを最小限に抑えています。

剛性のある3Dプリント安定化システムは、固定された照射角度、制御されたハンドピースの軌道、一貫した接触モードを維持し、オペレーターによる変動を減らし、再現可能なエネルギー供給を保証します。

このプロトコルの大きな強みは、熱評価、プロフィロメトリックラフネス解析、高解像度SEMおよびAFMイメージングを組み合わせたマルチモーダル評価戦略です。この統合的アプローチにより、巨視的な熱挙動、微小な形態変化、ナノスケールの地形変化を同時に特徴付けることができ、従来の単一パラメータ技術(9,10,15,18)よりも包括的な評価が可能です。視覚的に実証可能で方法論的に制御されたワークフローを提供することで、このプロトコルはEr、Cr:YSGG、ダイオードレーザーの相互作用とチタン表面の相互作用を比較するための再現可能なプラットフォームを確立します。

全体として、ここで提示された方法論は、レーザー支援による第2段階インプラント曝露およびその他のインプラント周辺軟部組織手技における臨床的に関連性の高い波長特異的な安全閾値の開発を支援することを目的としています(10,11,13)。

Protocol

チタン試料の調製
グレード4チタンシリンダー(5 mm × 10 mm、サンドブラストされた大粒グリット酸エッチング (SLA)表面)は70%エタノールで30秒洗浄されました。標本は清潔な表面に置かれ、10分間自然乾燥させられました。各シリンダーの平らな照射面を点検し、目に見える破片がないことを確認しました。各シリンダーは3Dプリントされた安定化ホルダーに設置され、平面は上向きに、横熱電対スロットにアクセスできました。試料の調製および洗浄中に発生したすべてのエタノール廃棄物および汚染された消耗品は、機関の実験室廃棄物管理ガイドラインに従って回収・処分されました。

環境および安全準備
すべての実験は27°Cの管理された実験室環境で行われました。 実験装置の隣に設置されたデジタル温度計を用いて、実験全体を通じて周囲温度を継続的に監視しました。レーザー適用時には波長に応じた保護メガネが使用されました。反射オブジェクトは作業場から撤去され、レーザーシステムが稼働して使用前に内部自己チェックを完了できるようになった。(図1)

図1:照射に使用されるレーザーシステム。 (A)ダイオードレーザー。 (B)えっと、CR:YSGGレーザー。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

ランダム化とグループ割り当て
すべてのチタンシリンダーは番号付けされ、コンピューター生成のランダム化リストを用いて13の研究グループにランダムに割り当てられました。これには6つのEr、Cr:YSGGグループ、6つのダイオードグループ、1つの対照グループが含まれます。グループ割り当てとレーザーパラメータは 表1にまとめられています。各標本には、割り当てられたグループに応じて実験全体を通じて追跡可能となるよう、固有の識別コードがラベル付けされていました。

グループ指定	使用レーザーシステム	標本の数	適用パワー設定(W)	露光時間(s)
D1	ダイオード	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	えっと、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	制御	8

表1:実験群およびレーザーパラメータの概要。

3Dプリントホルダー内の標本の安定化
照射時には、レーザー照射時の動きを防ぐために、3Dプリントの安定化ホルダーが硬質トレイに固定されました。各チタン製シリンダーは指定されたスロットに垂直に挿入され、平らな面は照射経路に向いていました。ホルダーは15°の固定照射角を維持し、レーザー先端とチタン表面間の相互作用形状を標準化しました。ハンドピースはホルダーチャネルに沿って誘導され、標本間で一貫した照射軌道を確保しました。

熱電対の配置と基準温度測定
各チタンシリンダーの中央チャネルにK型熱電対が挿入され、金属同士の安定した接触が得られるまで続けました(図2)。熱電対は温度モード(°C)に設定されたデジタルマルチメーターに接続されていました。基準温度は安定化後に記録され、30秒間0.1°C未満の温度変動期間と定義されました。

図2:熱電対チャネルを持つチタン製シリンダー。 (A) 横断図。(B) 逆方向の横視点。(C) 熱電対チャネルの頂端ビュー。(D)コロナビュー。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

えっと、CR:YSGGレーザー照射
ええと、CR:YSGGレーザー照射は連続的な空気と水の噴霧条件下で行われました。レーザー先端はチタン表面に直接接触し、固定された15°の角度で位置付けられていました。先端は5mmの直線軌道に沿って1cm/sの速度で掃射されました。照射は直接接触条件下で行われたため、レーザーの有効相互作用直径はメーカー指定の先端直径500μmにほぼ一致していました。試料は2.75W、3.75W、4.75Wの電力・時間の組み合わせで20秒または40秒照射されました。

ダイオードレーザー照射
ダイオードレーザー照射は、400μmのファイバーをチタン表面に直接接触させ、固定角度15°で連続波モードで行われました。ファイバーは5mmの直線軌道に沿って1 cm/sの速度でスイープされました。チタン表面の有効接触フットプリントは、直接接触モードで使用されるファイバーの直径によって決定されました。試料は1.2W、1.7W、または2.2Wの電力時間の組み合わせで20秒または40秒照射されました。

温度記録とΔTの計算
レーザー照射直後、デジタルマルチメーターに接続された熱電対を使って照射後の温度を記録しました。温度変化(ΔT)は照射後と基準温度の差として計算されました。各試料は一度だけ照射され、同じ試料に対して繰り返しレーザー照射は行われませんでした。

プロフィロメトリック表面粗さ測定
熱測定の後、照射面は油を含まない圧縮空気で洗浄されました。各試料はプロフィロメーターステージに取り付けられ、2×2 mmの範囲を4 mNのスタイラス力、0.5 mm/sのスキャン速度、0.8 mmのカットオフ長でスキャンしました。1個の標本につき5回のスキャンを行い、平均Ra値を算出しました(図3)。

図3: 実験的ワークフロー。 試料準備、熱電対配置、レーザー照射、温度記録、プロフィロメトリー、SEM、AFM分析。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

Results

温度分析
すべてのEr,Cr:YSGG群において、温度変化は10°Cの安全閾値を下回り、値は–2.65°Cから+2.20°Cの範囲でした。 電力は温度変化に有意な影響を与えました(p < 0.001)一方、照射時間は有意な影響を示さず(p = 0.898)、最低気温はE2(2.75 W–40秒:––2.65°C)で観測されました。対照的に、ダイオードレーザー照射は著しく高い温度上昇(3.25〜15.55°C)を生み出し、出力と持続時間の両方に有意な影響を与えました(両者ともp < 0.001でした)。最も高い上昇はD6(2.2 W–40秒:15.55°C)で、安全閾値を超えました(図4)。

...

Discussion

この研究は、レーザーチタンの相互作用が波長、出力出力、出力と露光時間の複合的な影響に強く影響されることを示しました。ER,Cr:YSGG照射は、熱骨折に関連する臨床的に認められた10°Cの閾値を一貫して下回る温度上昇を生み出しました^。3,4。一方、ダイオードレーザー照射は20秒および40秒で2.2Wを超える進行的な熱負荷を示しました。これらの発見は、強力な水吸収がマイクロ爆発的消融と効率的なエネルギー放散を促進するエルビウムレーザーの水力学的アブレーション機構と一致しています¹²。これに対し、より深い光学浸透と最小の水親和性を特徴とするダイオード照射は、チタン表面により集中した熱効果を生み出します^13,17。

観測された熱反応および表面...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3Dプリントによる安定化ホルダー	カスタムメイド	カスタムメイド/該当なし	3Dプリントによる安定化装置は、照射角度と手の軌道を固定するよう設計されています。
原子間力顕微鏡(EzAFM-コンパクト)	ナノ磁気機器、オックスフォード、英国	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	ナノスケールの表面地形および粗さ特性評価に使用されます。
デジタルマルチメーター(Keithley 2000, 6½数字)	キースリー・インストゥルメンツ	URL: https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	温度測定にはK型熱電対と併用されます。
エピックダイオードレーザー(940nm)	Biolase、カリフォルニア州アーバイン、アメリカ合衆国	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	連続波ダイオードレーザーシステム(940nm);調整可能な0.5–出力は10W;軟部組織モード照射に使用されます。
ER、CR:YSGGレーザーシステム(Waterlase iPlus、2780nm)	Biolase、カリフォルニア州アーバイン、アメリカ合衆国	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	ER、CR:YSGGレーザー(2780nm)をMZ-5ジップチップ9mmで使用;歯肉切除モードで連続呼吸・無酸素投与で手術を行いました。水しぶき。
エタノール、70%(v/v)	ウルソイ・コズメティク	URL: https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	試料表面洗浄
EzAFM制御・解析ソフトウェア	ナノ磁気機器、オックスフォード、英国	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	AFM制御、データ取得、画像処理に使用されます。
IBM SPSS統計25	IBM社、ニューヨーク州アーモンク、アメリカ合衆国	バージョン25	正規性検定、ノンパラメトリック比較、双方向ANOVAなどの統計解析に使用されます。
K型熱電対	詳細は不明です	該当しません	温度取得に用いられるK型熱電対プローブ。
顕微鏡制御ソフトウェア(Quanta FEG 250)	サーモフィッシャー・サイエンティフィック(旧FEI)、ヒルズボロ、オレゴン州、アメリカ合衆国	URL: https://www.thermofisher.com	SEM画像取得および計測機器制御に使用されます。
MZ-5ジップチップ(9mm)	バイオレーザー	URL: https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	ER,CR:YSGGハンドピースで使うヒント。
オイルフリー圧縮空気	詳細は不明です	該当しません	チタン表面のゴミを取り除くために使われます。
パラフィンワックス	MumveMum(Trendyol経由販売)	URL: https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	熱干渉を減らすために熱電対ワイヤーをコーティングするために使われています。
プロフィロメーター(Surftest SJ-201)	東京・三豊代市	URL: https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	2 & 時間にわたるRa測定に使用されます。2mmスキャン範囲。
走査型電子顕微鏡(Quanta FEG 250)	サーモフィッシャー・サイエンティフィック(旧FEI)、ヒルズボロ、オレゴン州、アメリカ合衆国	URL: https://www.thermofisher.com	SEM撮影は250時間で、–5000回以上;拡大倍率。
チップスE4、400、マイクロ;m、4 mm	バイオレーザー	URL: https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	ダイオードレーザー照射に使われるファイバー。
チタン製シリンダー(グレード4、SLA表面、5倍;10mm)	ナクシス、ドイツ	特注品	熱電対用に5mmの内部チャネルを持つ特注のシリンダー。