Método In Vitro para Avaliação de Interações Laser-Titânio Usando Lasers Er, Cr:YSGG e Diodo

Summary

Este protocolo descreve um método padronizado in vitro para avaliar efeitos térmicos e superficiais sobre titânio durante a irradiação Er,Cr:YSGG e laser de diodo usando configurações de corte de tecidos moles recomendadas pelo fabricante. A termometria de contato direto e a análise multimodal de superfícies fornecem um fluxo de trabalho reproduzível para caracterizar interações de titânio a laser dependentes do comprimento de onda.

Abstract

Este estudo apresenta um protocolo padronizado in vitro para avaliar a resposta térmica e as alterações de superfície do titânio durante a irradiação a laser Er,Cr:YSGG e diodo sob configurações de tecidos moles recomendadas pelo fabricante. Cilindros de titânio personalizados de Grau 4 com canal interno permitiam medição direta de temperatura por meio de um termopar embutido, permitindo avaliação controlada das mudanças térmicas induzidas por laser. Para garantir consistência geométrica e minimizar a variabilidade dependente do operador, um sistema de estabilização impresso em 3D foi usado para padronizar o ângulo de irradiação, a trajetória de varredura e o movimento da ponta. Modificações de superfície após exposição a laser foram caracterizadas quantitativamente e qualitativamente usando técnicas complementares, incluindo profilometria para análise de rugosidade, microscopia eletrônica de varredura para avaliação micromorfológica e microscopia de força atômica para avaliação topográfica em nanoescala. A irradiação por laser de diodo produzia elevações de temperatura dependentes de potência e tempo, com as combinações de parâmetros mais altas excedendo o limiar de segurança clinicamente aceito de 10 °C. Em contraste, todas as condições testadas de Er,Cr:YSGG permaneceram abaixo desse limite, indicando um comportamento térmico distinto dependente do comprimento de onda. Ambos os sistemas a laser induziram aumentos significativos na rugosidade da superfície em relação à superfície de controle não tratada, enquanto análises de imagem revelaram diferenças dependentes do comprimento de onda na morfologia micro e nanoescala. Coletivamente, esse protocolo fornece uma estrutura experimental para investigação sistemática das interações laser-titânio e pode apoiar a seleção de parâmetros mais segura e baseada em evidências para procedimentos de tecidos moles assistidos por laser realizados próximos a componentes implantais.

Introduction

Procedimentos de tecidos moles assistidos por laser são amplamente empregados durante cirurgias de implante de segundo estágio e manejo peri-implantal da mucosa, onde a irradiação frequentemente ocorre em proximidade aos componentes de^{titânio 1,2}. Nessas situações clínicas, compreender o comportamento térmico do titânio e o potencial de alterações na superfície é essencial, pois elevação excessiva de temperatura ou perturbação superficial podem comprometer a integridade óssea peri-implante e a estabilidade a longo prazo^{do implante 3,4}. A literatura existente fornece insights valiosos sobre interações de titânio laser dependentes do comprimento de onda, mas a variabilidade metodológica, como diferenças na geometria de irradiação, modo de contato, angulação e técnicas de avaliação de superfícies, representa desafios para estabelecer limiares de segurança reprodutíveis e clinicamente ^{aplicáveis 5,6,7}.

Estudos recentes têm focado cada vez mais nos efeitos térmicos e superficiais de diferentes comprimentos de onda do laser sobre o titânio, especialmente no contexto de procedimentos peri-implantais de tecidos moles. Lasers de diodo demonstraram induzir elevações de temperatura dependentes de potência e tempo e alterações na superfície do titânio, com algumas configurações excedendo limiares térmicos clinicamente relevantes, levantando preocupações sobre a segurança térmica próxima aos componentes^{do implante 8, 9, 10 e 11}. Em contraste, lasers à base de érbio, incluindo sistemas Er,Cr:YSGG, exibem interações específicas de comprimento de onda caracterizadas por fortes mecanismos de absorção de água e ablação hidrocinética, que podem limitar transferência excessiva de calor e danos à superfície sob condições^apropriadas 12,13,14. Apesar desses avanços, os resultados relatados permanecem heterogêneos devido às diferenças no desenho experimental e à falta de metodologias padronizadas.

Estudos anteriores examinaram mudanças de temperatura 9,10,11,15, modificação superficial induzida por ^laser 14,16,17 ou aspectos específicos da absorção óptica de^{titânio 7}, mas muitos modelos experimentais careciam de controle padronizado de parâmetros como angulação da fibra, contato com a superfície da ponta ou uniformidade do varremento. Essas variações podem influenciar a entrega de energia e complicar as comparações entre estudos. Além disso, o uso de imagens monomodales em vários relatórios limitou a capacidade de detectar alterações micro e nanoscale dependentes do comprimento de onda em superfícies^{de titânio 16,18}. Um quadro analítico mais integrado pode, portanto, aumentar a interpretabilidade e a relevância clínica da pesquisa de interação entre laser e^{titânio 12}.

Para suprir essas lacunas metodológicas, o presente estudo introduz um protocolo padronizado in vitro para avaliar interações de lasers de Er,Cr:YSGG e diodo com superfícies de titânio sob parâmetros de corte de tecidos moles clinicamente relevantes e recomendados pelo fabricante. Foi hipotetizado que lasers Er,Cr:YSGG e diodo, quando operados sob configurações de tecido mole recomendadas pelo fabricante, produziriam diferenças distintas, dependentes do comprimento de onda, na resposta térmica e modificação superficial do titânio. O protocolo utiliza cilindros de titânio Grau 4 usinados sob medida com um canal interno de termopar, permitindo a medição direta de contato das temperaturas de base e pós-irradiação e minimizando artefatos comumente associados a sondas externas.

Um sistema rígido de estabilização impresso em 3D mantém um ângulo fixo de irradiação, trajetória controlada da peça de mão e modo de contato consistente, reduzindo a variabilidade dependente do operador e garantindo a entrega de energia reprodutível.

Uma força chave deste protocolo é sua estratégia de avaliação multimodal, que combina avaliação térmica, análise de rugosidade profilométrica e imagens de SEM e AFM de alta resolução. Essa abordagem integrada permite a caracterização simultânea do comportamento térmico macroscópico, das mudanças morfológicas em microescala e das alterações topográficas em escala nanométrica, oferecendo uma avaliação mais abrangente do que as técnicas de parâmetro único comumente usadas em estudos^anteriores 9,10,15,18. Ao fornecer um fluxo de trabalho visualmente demonstrável e metodologicamente controlado, esse protocolo estabelece uma plataforma reprodutível para comparar interações de lasers de Er, Cr:YSGG e diodo com superfícies de titânio.

No geral, a metodologia apresentada aqui visa apoiar o desenvolvimento de limiares de segurança clinicamente relevantes e específicos para comprimento de onda específicos para exposição a implantes de segundo estágio assistida por laser e outros procedimentos de tecidos moles^{peri-implantes} 10,11,13.

Protocol

Preparação de amostras de titânio
Cilindros de titânio grau 4 (5 mm × 10 mm, superfície gravada ácida  de grande granulação (SLA) jateada por 30 segundos) foram limpos com etanol a 70% por 30 segundos. Os exemplares foram colocados sobre uma superfície limpa e secos ao ar por 10 minutos. A superfície plana de irradiação de cada cilindro foi inspecionada para confirmar a ausência de detritos visíveis. Cada cilindro era posicionado no suporte de estabilização impresso em 3D, com a superfície plana orientada para cima e a ranhura lateral do termopar acessível. Todos os resíduos de etanol e quaisquer consumíveis contaminados gerados durante a preparação e limpeza da amostra foram coletados e descartados de acordo com as diretrizes institucionais de gestão de resíduos laboratoriais.

Preparação ambiental e de segurança
Todos os experimentos foram realizados em um ambiente laboratorial controlado a 27 °C. A temperatura ambiente foi monitorada continuamente durante os experimentos usando um termômetro digital posicionado ao lado do setup experimental. Óculos protetores adequados ao comprimento de onda foram usados durante a aplicação do laser. Objetos refletivos foram removidos do espaço de trabalho, e sistemas a laser foram ligados e permitidos para completar rotinas internas de auto-verificação antes do uso. (Figura 1).

Figura 1: Sistemas a laser usados para irradiação. (A) Laser de diodo. (B) Er, laser Cr:YSGG. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Randomização e alocação de grupos
Todos os cilindros de titânio foram numerados e alocados aleatoriamente em 13 grupos de estudo usando uma lista de randomização gerada por computador, incluindo seis grupos Er,Cr:YSGG, seis grupos de diodos e um grupo controle. As atribuições em grupo e os parâmetros do laser são resumidos na Tabela 1. Cada espécime foi rotulado com um código de identificação único para garantir a rastreabilidade ao longo de todo o experimento, de acordo com seu grupo designado.

Designação do grupo	Sistema de Laser Usado	Número de Espécimes	Configuração de Potência Aplicada (W)	Tempo(s) de Exposição
D1	Diodo	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	Er, 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	Controle	8

Tabela 1: Visão geral dos grupos de estudo experimental e parâmetros do laser.

Estabilização de amostras no suporte impresso em 3D
Para irradiação, o suporte de estabilização impresso em 3D era fixado a uma bandeja rígida para evitar movimentos durante a aplicação do laser. Cada cilindro de titânio era inserido verticalmente em sua ranhura designada, com a superfície plana voltada para o caminho de irradiação. O suporte mantinha um ângulo fixo de irradiação de 15°, padronizando a geometria de interação entre a ponta do laser e a superfície de titânio. A ferramenta foi guiada ao longo do canal do suporte para garantir uma trajetória de irradiação consistente entre os espaçes.

Posicionamento de termopares e medições de temperatura de base
Um termopar do tipo K era inserido no canal central de cada cilindro de titânio até que o contato metal a metal estável fosse alcançado (Figura 2). O termopar era conectado a um multímetro digital ajustado para o modo de temperatura (°C). A temperatura de base foi registrada após a estabilização, definida como um período de flutuações de temperatura abaixo de 0,1 °C por 30 segundos.

Figura 2: Cilindros de titânio com canal de termopar. (A) Vista lateral. (B) Vista lateral reversa. (C) Vista apical do canal do termopar. (D) Vista coronal. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Er, irradiação a laser Cr:YSGG
Er, a irradiação a laser Cr:YSGG foi realizada sob condições contínuas de pulverização de ar e água. A ponta do laser estava posicionada em contato direto com a superfície de titânio em um ângulo fixo de 15°. A ponta foi varrida ao longo de um caminho linear de 5 mm a uma velocidade de 1 cm/s. Como a irradiação foi realizada sob condições de contato direto, o diâmetro efetivo de interação do laser correspondia aproximadamente ao diâmetro da ponta especificado pelo fabricante de 500 μm. Os estípicos foram irradiados com combinações de potência–tempo de 2,75 W, 3,75 W ou 4,75 W por 20 s ou 40 s.

Irradiação a laser de diodo
A irradiação a laser de diodo foi realizada em modo de onda contínua usando uma fibra de 400 μm em contato direto com a superfície de titânio em um ângulo fixo de 15°. A fibra foi varrida ao longo de um caminho linear de 5 mm a uma velocidade de 1 cm/s. A pegada de contato efetiva na superfície de titânio era determinada pelo diâmetro da fibra usado no modo de contato direto. Os espetáculos foram irradiados com combinações de potência-tempo de 1,2 W, 1,7 W ou 2,2 W por 20 s ou 40 s.

Registro de temperatura e cálculo de ΔT
Imediatamente após a irradiação a laser, a temperatura pós-irradiação era registrada usando o termopar conectado ao multímetro digital. A variação de temperatura (ΔT) foi calculada como a diferença entre o pós-irradiação e a temperatura de base. Cada amostra foi irradiada apenas uma vez, e nenhuma aplicação repetida de laser foi realizada no mesmo espetáculo.

Medições de rugosidade superficial perfilométrica
Após medições térmicas, as superfícies irradiadas foram limpas com ar comprimido sem óleo. Cada espécime era montado no estágio do perfilômetro, e uma área de 2 × 2 mm era escaneada usando uma força do estilete de 4 mN, uma velocidade de varredura de 0,5 mm/s e um comprimento de corte de 0,8 mm. Foram realizados cinco exames por amostra, e o valor médio de Ra foi calculado (Figura 3).

Figura 3: Fluxo de trabalho experimental. Preparação de amostras, colocação de termopares, irradiação a laser, registro de temperatura, profilometria, SEM e análises AFM. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Results

Análise de temperatura
Em todos os grupos Er,Cr:YSGG, a variação de temperatura permaneceu abaixo do limite de segurança de 10 °C, com valores variando entre –2,65 °C e +2,20 °C. A potência teve um efeito significativo na mudança de temperatura (p < 0,001), enquanto a duração da irradiação não mostrou influência significativa (p = 0,898). A temperatura mais baixa foi observada em E2 (2,75 W–40 s: –2,65 °C). Em contraste, a irradiação a laser de diodo produziu elevaçõ...

Discussion

Este estudo demonstrou que as interações do titânio do laser são fortemente influenciadas pelo comprimento de onda, potência de saída e os efeitos combinados de potência e duração da exposição. Er,Cr:YSGG A irradiação consistentemente produziu elevações de temperatura abaixo do limiar clinicamente aceito de 10 °C associado à lesão óssea^{térmica 3,4}, enquanto a irradiação a laser de diodo mostrou uma carga térmica progressiva, exce...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Suporte de estabilização impresso em 3D	Personalizado	Personalizado / Não aplicável	Unidade de estabilização impressa em 3D projetada para corrigir o ângulo de irradiação e o caminho da peça de mão.
Microscópio de Força Atômica (EzAFM-Compact)	Instrumentos de Nanomagnetismo, Oxford, Reino Unido	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Usado para caracterização de topografia e rugosidade de superfícies em nanoescala.
Multímetro Digital (Keithley 2000, 6½ Digit)	Instrumentos Keithley	URL: https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	Usado com termopar tipo K para medição de temperatura.
Laser Epic Diodo (940 nm)	Biolase, Irvine, CA, EUA	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	Sistema laser de diodo de onda contínua (940 nm); ajustável 0,5– 10 W de saída; Usado para irradiação em modo de tecidos moles.
Er, Cr:YSGG Sistema de Laser (Waterlase iPlus, 2780 nm)	Biolase, Irvine, CA, EUA	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	Er, Cr:YSGG laser (2780 nm) usado com o Ziptip MZ-5, 9 mm; operado em modo gingitectomia com ar contínuo e traço; Spray de água.
Etanol, 70% (v/v)	Ulusoy Kozmetik	URL: https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	Limpeza de superfícies de amostras
Software de Controle e Análise EzAFM	Instrumentos de Nanomagnetismo, Oxford, Reino Unido	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Usado para controle AFM, aquisição de dados e processamento de imagens.
IBM SPSS Estatísticas 25	IBM Corp., Armonk, NY, EUA	Versão 25	Usado para análises estatísticas incluindo testes de normalidade, comparações não paramétricas e ANOVA bidirecional.
Termopar do tipo K	Não especificado	Não aplicável	Sonda termopar do tipo K usada para aquisição de temperatura.
Software de Controle de Microscópio (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (anteriormente FEI), Hillsboro, OR, EUA	URL: https://www.thermofisher.com	Usado para aquisição de imagens SEM e controle de instrumentos.
Ziptip MZ-5 (9 mm)	Biolase	URL: https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	Dica usada com o Er, Cr:YSGG handpiece.
Ar comprimido sem óleo	Não especificado	Não aplicável	Usado para remover detritos de superfícies de titânio.
Cera de parafina	MumveMum (vendido via Trendyol)	URL: https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	Usado para revestir fio termopar para reduzir interferência térmica.
Profilômetro (Surftest SJ-201)	Mitutoyo, Tóquio, Japão	URL: https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	Usado para medições de Ra ao longo de 2 e tempos; Área de varredura de 2 mm.
Microscópio Eletrônico de Varredura (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (anteriormente FEI), Hillsboro, OR, EUA	URL: https://www.thermofisher.com	Imagem SEM em 250 e vezes; – 5000 e vezes; ampliações.
Dicas E4, 400 & micro; m, 4 mm	Biolase	URL: https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	Fibra usada para irradiação a laser de diodo.
Cilindros de titânio (Grau 4, superfície SLA, 5 vezes; 10 mm)	Naxis, Alemanha	Feito sob medida	Cilindros personalizados com canal interno de 5 mm para termopar.