er, Cr:YSGG 및 다이오드 레이저를 이용한 레이저 티타늄 상호작용 평가를 위한 시험관 내 방법

Summary

이 프로토콜은 제조사가 권장하는 연조직 절단 설정을 사용하여 Er, Cr: YSGG, 다이오드 레이저 조사 중 티타늄에 대한 열적 및 표면 효과를 평가하는 표준화된 시험관 내 방법을 설명합니다. 직접 접촉 온도계와 다중 모달 표면 분석은 파장 의존 레이저 티타늄 상호작용을 재현 가능한 분석 워크플로우로 제공합니다.

Abstract

본 연구는 제조사 권장 연조직 환경에서 Er, Cr:YSGG 및 다이오드 레이저 조사 중 티타늄의 열 반응과 표면 변화를 평가하기 위한 표준화된 시험관 내 프로토콜을 제시합니다. 내부 채널이 있는 맞춤형 4등급 티타늄 실린더는 내장된 열전대를 통해 직접 온도 측정이 가능해져 레이저 유도 열 변화를 제어하여 평가할 수 있게 했습니다. 기하학적 일관성을 보장하고 조작자 의존적 변동성을 최소화하기 위해, 3D 프린팅 안정화 시스템을 사용해 방사각, 스윕 궤적, 팁 이동을 표준화했습니다. 레이저 노출 후 표면 변형은 거칠기 분석을 위한 프로파일 측정, 미세형태학 평가를 위한 주사 전자현미경, 나노 규모 지형학 평가를 위한 원자력 현미경 등 보완적 기법을 사용하여 정량적·정성적으로 특성화되었습니다. 다이오드 레이저 조사는 전력 및 시간에 따라 온도 상승을 발생시켰으며, 최고 매개변수 조합은 임상적으로 인정된 10 °C 안전 임계값을 초과했습니다. 반면, 모든 Er,Cr:YSGG 조건은 이 한계 이하로 유지되어 파장 의존적 열적 거동이 뚜렷하게 나타났다. 두 레이저 시스템 모두 처리되지 않은 제어면에 비해 표면 거칠기를 유의미하게 증가시켰으며, 영상 분석 결과 미시 및 나노 규모 형태에서 파장 의존적 차이가 드러났습니다. 이 프로토콜은 레이저-티타늄 상호작용의 체계적 연구를 위한 실험적 틀을 제공하며, 임플란트 부품 근처에서 시행되는 레이저 보조 연조직 시술의 보다 안전하고 근거 기반의 매개변수 선택을 지원할 수 있습니다.

Introduction

레이저 보조 연부 조직 시술은 2단계 임플란트 수술과 임플란트 주위 점막 관리 시 널리 사용되며, 이때 방사선 치료는 종종 티타늄 성분 근접에서 이루어집니다 ^1,2. 이러한 임상 상황에서는 티타늄의 열 거동과 표면 변형 가능성을 이해하는 것이 필수적입니다. 과도한 온도 상승이나 표면 파손은 임플란트 주위 뼈의 무결성과 장기적인 임플란트 안정성을 위협할 수 있기 때문입니다 ^3,4. 기존 문헌은 파장 의존적 레이저 티타늄 상호작용에 대한 귀중한 통찰을 제공하지만, 방사선 기하학, 접촉 모드, 각도, 표면 평가 기법의 차이 등 방법론적 변동성은 재현 가능하고 임상적으로 적용 가능한 안전 임계값을 확립하는 데 도전 과제를 제기합니다 ^5,6,7.

최근 연구들은 특히 임플란트 주위 연조직 시술 맥락에서 다양한 레이저 파장이 티타늄에 미치는 열적·표면적 효과에 점점 더 초점을 맞추고 있습니다. 다이오드 레이저는 티타늄에서 출력 및 시간에 따른 온도 상승과 표면 변화를 유도하는 것으로 나타났으며, 일부 설정은 임상적으로 적합한 열 임계값을 초과하여 임플란트 부품 8,9,10,11 근처의 열 안전성에 대한 우려를 제기하고 있습니다. 반면, Er,Cr:YSGG 시스템을 포함한 에르뷸 기반 레이저는 강한 수분 흡수와 수력 소화 메커니즘을 특징으로 하는 파장 특이적 상호작용을 보이며, 적절한 조건 12,13,14에서 과도한 열 전달과 표면 손상을 제한할 수 있습니다. 이러한 진전에도 불구하고, 실험 설계의 차이와 표준화된 방법론의 부재로 인해 보고된 결과는 여전히 이질적입니다.

이전 연구들은 온도 변화 9,10,11,15, 레이저 유도 표면 변형 14,16,17, 또는 티타늄 광학 흡수의 특정 측면을 조사^했으나, 많은 실험 모델들은 섬유 각도, 팁 표면 접촉, 스윕 균일성과 같은 매개변수의 표준화된 제어가 부족했습니다. 이러한 차이는 에너지 전달에 영향을 미치고 연구 간 비교를 복잡하게 만들 수 있습니다. 또한, 여러 보고서에서 단일 모달리티 영상의 사용으로 인해 티타늄 표면에서 파장 의존적 미세 및 나노 규모 변화를 감지하는 능력이 제한되었습니다^16,18. 따라서 보다 통합된 분석 프레임워크는 레이저 티타^{늄 상호}작용 연구의 해석 가능성과 임상적 관련성을 향상시킬 수 있습니다.

이러한 방법론적 공백을 해소하기 위해, 본 연구는 임상적으로 관련성이 높고 제조사가 권장하는 연조직 절단 매개변수 하에서 Er, Cr:YSGG, 다이오드 레이저와 티타늄 표면의 상호작용을 평가하는 표준화된 시험관 내 프로토콜을 도입합니다. 제조사가 권장하는 연조직 설정에서 Er, Cr:YSGG, 다이오드 레이저를 작동시킬 때, 티타늄의 열 반응과 표면 변형에 파장에 따라 뚜렷한 차이를 낼 것이라는 가설이 제기되었습니다. 이 프로토콜은 내부 열전대 채널이 있는 맞춤형 가공된 4등급 티타늄 실린더를 사용하여 기준선 및 조사 후 온도의 직접 접촉 측정을 가능하게 하고, 외부 프로브에서 흔히 발생하는 아티팩트를 최소화합니다.

강체 3D 프린팅 안정화 시스템은 고정된 방사선 각도, 제어된 손잡이 궤적, 일관된 접촉 모드를 유지하여 조작자에 따른 변동성을 줄이고 재현 가능한 에너지 전달을 보장합니다.

이 프로토콜의 주요 강점은 열 평가, 프로파일로메트릭 거칠기 분석, 고해상도 SEM 및 AFM 영상을 결합한 다중 모달 평가 전략입니다. 이 통합 접근법은 거시적 열 거동, 미시적 형태 변화, 나노 규모 지형 변화를 동시에 특성화할 수 있게 하여,^{이전 연구에서} 흔히 사용된 단일 매개변수 기법보다 더 포괄적인 평가를 ^{제공합니다.} 시각적으로 시연 가능하고 방법론적으로 제어된 워크플로우를 제공함으로써, 이 프로토콜은 Er, Cr:YSGG, 다이오드 레이저 상호작용과 티타늄 표면을 비교할 수 있는 재현 가능한 플랫폼을 구축합니다.

전반적으로 여기서 제시된 방법론은 레이저 보조 2단계 임플란트 노출 및 기타 임플란트 주위 연조직 시술에 대한 임상적으로 관련성 있고 파장별 안전 임계치 개발을 지원하는 것을 목표로 합니다^{10, 11, 13}.

Protocol

티타늄 시료의 준비
4등급 티타늄 실린더(5mm × 10mm, 샌드블라스트된 대형 입자 산 식각 (SLA) 표면)은 70% 에탄올로 30초간 세척되었습니다. 표본은 깨끗한 표면에 놓고 10분간 자연 건조되었습니다. 각 실린더의 평평한 방사선 표면을 점검하여 눈에 띄는 파편이 없음을 확인했습니다. 각 실린더는 3D 프린팅된 안정화 홀더에 위치했으며, 평평한 표면은 위로 향하고 측면 열전대 슬롯에 접근할 수 있었습니다. 모든 에탄올 폐기물과 시료 준비 및 세척 과정에서 발생한 오염된 소비재는 기관 실험실 폐기물 관리 지침에 따라 수집 및 폐기되었습니다.

환경 및 안전 준비
모든 실험은 27°C의 통제된 실험실 환경에서 진행되었습니다. 실험 내내 주변 온도는 실험 장비 옆에 위치한 디지털 온도계를 사용해 지속적으로 모니터링되었습니다. 레이저 적용 시 파장에 맞는 보호 안경이 사용되었습니다. 작업 공간에서 반사되는 물체가 제거되었고, 레이저 시스템이 전원을 켜져 사용 전 내부 자가 점검 루틴을 완료할 수 있었습니다. (그림 1).

그림 1: 조사에 사용되는 레이저 시스템. (A) 다이오드 레이저. (B) 음, CR:YSGG 레이저. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

무작위화 및 그룹 할당
모든 티타늄 실린더는 번호가 매겨져 컴퓨터 생성 무작위화 목록을 사용해 13개 연구 그룹에 무작위로 배정되었으며, 여기에는 6개의 Er, Cr:YSGG 그룹, 6개의 다이오드 그룹, 1개의 대조군이 포함되었습니다. 그룹 할당과 레이저 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 각 표본에는 지정된 그룹에 따라 실험 전반에 걸쳐 추적성을 보장하기 위해 고유한 식별 코드가 붙었습니다.

그룹 명칭	레이저 시스템 사용	표본 수	적용 전력 설정 (W)	노출 시간(s)
D1	다이오드	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	음, 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	방제	8

표 1: 실험 연구 그룹과 레이저 파라미터 개요.

3D 프린팅 홀더 내 시료 안정화
조사 시에는 레이저 적용 중 움직임을 방지하기 위해 3D 프린팅 안정화 홀더가 단단한 트레이에 고정되었습니다. 각 티타늄 실린더는 지정된 슬롯에 수직으로 삽입되었으며, 평평한 표면이 방사선 경로 쪽을 향하도록 했습니다. 홀더는 고정된 15°의 방사각을 유지하여 레이저 팁과 티타늄 표면 간의 상호작용 기하학을 표준화했습니다. 핸드피스는 표본 전반에 걸쳐 일관된 방사선 궤적을 보장하기 위해 홀더 채널을 따라 안내되었습니다.

열전대 배치 및 기준 온도 측정
각 티타늄 실린더의 중앙 채널에 K형 열전대가 삽입되어 금속과 금속 간의 안정적인 접촉이 이루어졌다(그림 2). 열전대는 온도 모드(°C)로 설정된 디지털 멀티미터에 연결되었습니다. 기준 온도는 안정화 후 기록되었으며, 30초 동안 0.1 °C 이하로 온도 변동이 지속된 기간으로 정의되었습니다.

그림 2: 열전대 채널이 있는 티타늄 실린더. (A) 측면 모습. (B) 역방향 측면 뷰. (C) 열전대 채널의 꼭대기 모습. (D) 관상 관점. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

음, CR:YSGG 레이저 방사선
음, Cr: YSGG 레이저 조사는 연속적인 공기 및 물 분사 조건에서 수행되었습니다. 레이저 팁은 고정된 15° 각도로 티타늄 표면과 직접 접촉한 위치에 있었습니다. 팁은 5mm 선형 경로를 따라 초당 1cm의 속도로 쓸려갔습니다. 조사가 직접 접촉 조건에서 수행되었기 때문에, 유효 레이저 상호작용 직경은 제조사가 지정한 팁 직경 500 μm에 대략 해당했습니다. 표본들은 2.75W, 3.75W, 4.75W 등 20초 또는 40초 동안 전력-시간 조합으로 방사선을 조사했습니다.

다이오드 레이저 조사
다이오드 레이저 조사는 400 μm 광섬유를 티타늄 표면에 15°의 고정 각도로 직접 접촉시켜 연속파 모드로 수행되었습니다. 광섬유는 5mm 선형 경로를 따라 초당 1cm의 속도로 쓸려갔습니다. 티타늄 표면의 유효 접촉 발자국은 직접 접촉 모드에서 사용되는 섬유 직경에 의해 결정되었습니다. 표본들은 1.2W, 1.7W, 또는 2.2W의 전력 시간 조합으로 20초 또는 40초 동안 방사선을 받았습니다.

온도 기록 및 ΔT 계산
레이저 조사 직후, 디지털 멀티미터에 연결된 열전대를 사용해 조사 후 온도를 기록했습니다. 온도 변화(ΔT)는 조사 후 온도와 기준 온도 간의 차이로 계산되었습니다. 각 표본은 단 한 번만 방사선을 조사했으며, 동일한 표본에 대해 반복적인 레이저 적용은 이루어지지 않았습니다.

프로필로메트릭 표면 거칠기 측정
열측정 후, 노출된 표면은 기름이 없는 압축 공기로 세척되었다. 각 시본은 프로파일로미터 스테이지에 장착되었고, 2 × 2 mm 영역을 4 mN의 스타일러스 힘, 0.5 mm/s의 스캔 속도, 0.8 mm 컷오프 길이로 스캔했습니다. 표본당 5회의 스캔이 수행되었고, 평균 Ra 값이 계산되었습니다(그림 3).

그림 3: 실험적 워크플로우. 시료 준비, 열전대 삽입, 레이저 조사, 온도 기록, 프로파일 측정, SEM 및 AFM 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

Results

온도 분석
모든 Er,Cr:YSGG 그룹에서 온도 변화는 10 °C 안전 임계값 이하로 유지되었으며, 값은 –2.65 °C에서 +2.20 °C 사이였습니다. 전력은 온도 변화에 유의미한 영향을 미쳤으며(p < 0.001), 방사선 시간은 유의미한 영향을 미치지 않았습니다(p = 0.898). 가장 낮은 기온은 E2에서 관측되었으며(2.75 W–40초: –2.65 °C), 반면, 다이오드 레이저 조사는 3.25–15.55 °C로 현저히 높은 온도 상승을 발생시켰으며, 출력과 지속 시간 모두 상당한 영향을 미쳤습니다(두 경우 모두 p < 0.001). 가장 높은 상승은 D6에서 발생했으며(2.2 W–40초: 15.55 °C), 안전 임계값을 초과했습니다(그림 4).

Discussion

이 연구는 레이저 티타늄 상호작용이 파장, 출력 출력, 그리고 출력과 노출 지속 시간의 결합 효과에 의해 강한 영향을 받는다는 것을 보여주었습니다. Er, Cr: YSGG 조사는 열골손상과 관련된 임상적으로 인정된 10 °C 임계값 이하의 온도 상승을 지속적으로 발생시^켰으며, 다이오드 레이저 조사는 20초와 40초 모두 2.2 W에서 점진적인 열 부하를 보였다. 이 발견들은 강한 수분 흡수가 미세 폭발 소화와 효율적인 에너지 소산을 촉진하는 에르비움 레이저의 수력 조절 기전과 일치^한다. 반면, 더 깊은 광학 투과와 최소한의 수분 친화도를 특징으로 하는 다이오드 조사는 티타늄 표면에 더 집중된 열 효과를 생성합니다^13,17

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D 프린팅 안정화 홀더	맞춤 제작	맞춤 제작 / 해당 없음	3D 프린팅된 안정화 장치는 방사선 각도와 손 부품 경로를 고정하도록 설계되었습니다.
원자력현미경 (EzAFM-Compact)	나노자기학 기기, 옥스퍼드, 영국	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	나노 규모 표면 지형학 및 거칠기 특성화에 사용됩니다.
디지털 멀티미터 (Keithley 2000, 6½ 번호)	키슬리 인스트루먼츠	URL: https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	온도 측정을 위해 K형 열전대와 함께 사용됩니다.
에픽 다이오드 레이저 (940 nm)	바이오레이즈, 어바인, 캘리포니아, 미국	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	연속파 다이오드 레이저 시스템(940 nm); 조절 가능한 0.5– 출력은 10W 연조직 모드 조사에 사용됩니다.
음, CR: YSGG 레이저 시스템 (워터레이즈 아이플러스, 2780 nm)	바이오레이즈, 어바인, 캘리포니아, 미국	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	음, 9mm MZ-5 집팁과 함께 사용되는 Cr:YSGG 레이저 (2780 nm); 잇몸 절제술 모드로 연속 에어앤앤대쉬(AIR&NDASH)로 수술되었으며; 물줄기.
에탄올, 70% (v/v)	울루소이 코즈메틱	URL: https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	시료 표면 세척
EzAFM 제어 및 분석 소프트웨어	나노자기학 기기, 옥스퍼드, 영국	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	AFM 제어, 데이터 수집, 이미지 처리에 사용됩니다.
IBM SPSS 통계 25	그리고 nbsp; IBM 코퍼레이션, 아몬크, 뉴욕, 미국	버전 25	정규성 검정, 비모수 비교, 양방향 분노분석(ANOVA) 등 통계 분석에 사용됩니다.
그리고 nbsp; K형 열전쌍	명시되지 않음	해당되지 않음	온도 획득에 사용되는 K형 열전쌍 프로브.
현미경 제어 소프트웨어 (Quanta FEG 250)	서모피셔 사이언티픽(구 FEI), 미국 오리건주 힐스보로	URL: https://www.thermofisher.com	SEM 이미지 획득 및 기기 제어에 사용됩니다.
MZ-5 집팁 (9 mm)	바이오라즈	URL: https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	팁: Er, Cr:YSGG 핸드피스에 사용됨.
오일 프리 압축 공기	그리고 nbsp; 명시되지 않음	해당되지 않음	티타늄 표면에서 이물질을 제거하는 데 사용되었습니다.
파라핀 왁스	MumveMum (트렌디올을 통해 판매)	그리고 nbsp; URL: https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	그리고 nbsp; 열전대 전선을 코팅해 열 간섭을 줄이는 데 사용됩니다.
프로필로미터 (서프테스트 SJ-201)	일본 도쿄, 미투토요	URL: https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	2시간 동안 Ra 측정에 사용됨; 2mm 스캔 영역.
주사 전자현미경 (Quanta FEG 250)	서모피셔 사이언티픽(구 FEI), 미국 오리건주 힐스보로	URL: https://www.thermofisher.com	SEM 영상 250번; – 5000번이상; 확대 효과.
팁 E4, 400 및 마이크로; m, 4 mm	바이오라즈	URL: https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	다이오드 레이저 조사에 사용되는 광섬유.
티타늄 실린더(4등급, SLA 표면, 5시간 이내; 10 mm)	그리고 nbsp; 나크시스, 독일	맞춤 제작	그리고 nbsp; 열전대용 5mm 내부 채널을 가진 맞춤형 실린더.