半导体激光在根管消毒中的应用研究

孙楚文 综述; 朱亚琴 审校

(上海交通大学医学院附属第九人民医院·口腔综合科,上海市口腔医学重点实验室, 上海 200011)

·综述·

半导体激光在根管消毒中的应用研究

孙楚文 综述; 朱亚琴 审校

(上海交通大学医学院附属第九人民医院·口腔综合科,上海市口腔医学重点实验室, 上海 200011)

半导体激光器是由两层半导体材料交织包裹一层非导体材料组成，通常由镓(Ga)、砷(As)、铝(Al)和铟(In)等元素组成。由于半导体激光对牙体组织具有良好的渗透性，目前已被广泛应用于口腔治疗中，特别是波长在800～980 nm的半导体激光在牙髓病学中的应用最为广泛。本文就半导体激光用于根管治疗中的研究进展情况，及其对根管消毒的作用机制和消毒效果的影响因素等作一综述。

半导体激光; 根管消毒; 粪肠球菌; 牙本质小管

[DOI] 10.15956/j.cnki.chin.j.conserv.dent.2015.12.012

[Chinese Journal of Conservative Dentistry,2015,25(12): 750]

众所周知，根管治疗的关键在于彻底清除根管系统内的致病微生物及其产物，以达到促进根尖周组织愈合的目的。然而，由于一些微生物可侵入牙本质小管深部，难以被传统的冲洗消毒方法彻底清除。因此如何清除根管系统深部的细菌一直是根管治疗中最主要的难点，也是决定根管治疗是否成功的关键[1]。

在感染根管中，根管内的微环境仅可选择性地使少数种类的细菌存活，如：粪肠球菌、咽峡炎链球菌和具核梭杆菌等[2]。其中，粪肠球菌是目前认为影响根管治疗预后的最主要的细菌，通常可在无症状感染或顽固性感染、治疗后感染根管中被分离得到，检出率可达24%～77%[3-4]。粪肠球菌是一种能够侵入牙本质小管、耐受化学清理、机械预备及根管内封药的G+兼厌氧菌。有研究显示[5-6]，即使是有药物存在的情况下，粪肠球菌依旧能在根管内形成细菌生物膜；尤其在成熟的生物膜中，粪肠球菌也可在不分裂的情况下持续存活，并能诱导磷灰石的再沉积。另外，粪肠球菌对氢氧化钙亦有较强的耐受力，仅在pH超过11.5时方可被杀灭；而氢氧化钙在根管内因根部牙本质的缓冲作用，其pH值最高仅达10.3左右[7-8]。因此，许多抗微生物药物对于生物膜状态下的粪肠球菌只表现出较低的敏感性。

然而，激光治疗的引入则解决了上述难题，特别是半导体激光，由于其所发出的光谱相比于牙体组织更易被水吸收，这就使其具备了良好的渗透性，从而能够作用于存活在牙本质小管深部的微生物。因此，高功率半导体激光现被广泛应用于牙科治疗中，并在牙本质灭菌方面表现出令人满意的效果[9]。本文就半导体激光用于根管治疗中的研究进展情况，及其对根管消毒的作用机制和消毒效果的影响因素等作一综述。

1 半导体激光应用于根管消毒的实验证据

随着根管治疗技术的不断发展，传统根管消毒方法的不足逐渐被发现并越来越被重视。临床上对根管进行化学机械预备的过程中，通常采用次氯酸钠、EDTA和MTAD等药物进行冲洗灭菌。然而，有研究表明[10]，传统冲洗剂由于渗透深度不足，并不能使根管内和牙本质深层得到彻底的清洁，尤其是根管系统的近根尖1/3的部位。Siqueira JF Jr等[11]研究显示，根尖1/3的根管有很大比例存在根分叉或根尖分歧等结构变化，常规的化学、机械预备方法无法到达这些结构中，从而可能造成治疗后再感染。

正因如此，高功率半导体激光作为一种新的根管消毒方法被运用于根管内灭菌。研究发现，该方法与传统根管冲洗剂相比，能更好地渗入牙体组织，从而可杀灭根管系统中传统方法难以到达部位的细菌[12-14]。Siqueira JF Jr等[15]的实验结果显示，半导体激光可深入至牙本质小管内1 000 μm处，而普通化学消毒剂的渗透深度则仅在100 μm以内。

Mathew J等[16]分别对传统注射针冲洗、EndoActivator、半导体激光和PIPS等4种根管消毒技术的杀菌效果进行评估时发现，半导体激光具有更好的杀菌能力，与传统注射针冲洗相比，其根管壁上遗留的细菌显著减少。Gerek M等[17]报道，预备完成后的根管经半导体激光照射后，根管系统内细菌的每毫升中的菌落形成单位(CFU/mL)基本为0。

2 半导体激光应用于根管消毒的作用机制

半导体激光对根管的消毒效果主要依靠其所产生的热效应，其作用机制主要为：破坏根管内细菌的细胞结构以及对牙本质小管的改建作用。

López-Jiménez L等[18]运用AFM(原子力显微镜)观察半导体激光对根管内细菌的作用时发现，经半导体激光照射后，除能使根管表面变得清洁外，还能使根管内的细菌表面遭到严重破坏并使其形态发生变化，具体表现为：细胞表面出现白纹、菌细胞内容物渗漏并失去原有的细胞形态；在6.25 μm2扫描幅度的图像中还可观察到菌细胞表面有一些清晰分辨的水泡和形状扰动，这可能是细菌溶解的表现；镜下观察可见，经过激光辐射的细菌会发生诸如失去膜胞、细胞瓦解及膜胞小孔融合等形态变化。以上研究结果提示，半导体激光可通过其热效应破坏细菌的正常结构，从而杀灭细菌。

半导体激光之所以能很好地渗透入根管深部，主要是依赖其光纤传输系统。激光辐射可通过石英光导纤维(直径一般为200～320 μm)进行传播，深入至牙本质内1 mm及根尖部细小、不规则的根管内，而且又不会对根尖周组织造成损伤[9，19]。一般情况下，牙体硬组织很少吸收半导体激光所发出的辐射，只是允许其光源在牙本质间传播、散射或漫透射[20]。而牙本质小管和釉柱则均可作为光源导体使半导体激光能够渗透至更深的部位并发挥抗菌作用[18]。Faria MIA等[20]通过电子显微镜下的超微结构分析发现，激光辐射能改变牙本质的形态，一般情况下，其可使根尖区的牙本质小管发生闭锁，而同时又可促进根中及根颈1/3的牙本质小管开放，这可能与根尖区及其上段根管直径相差悬殊，致使牙本质与激光光纤接触的密切程度不同有关。有学者认为，持续的半导体激光辐射能够产热，其所引起的热效应和随后的表面冷却可使牙本质小管熔融后再结晶，从而改变了牙本质表面的形态[20-21]。电镜下观察还发现，在激光照射过程中，根管内的牙本质碎屑会被消融而汽化，从而使根管壁形成明显的火山口形态；而若温度过高、热效应持续，则会使根管壁表面发生碳化、抛光，并进而使牙本质小管融化闭锁。另有研究发现，激光可通过清除根管内的碎屑、减小牙本质小管的开放数量和直径，而获得一个光洁的根管壁，并进而降低根尖区域根管的渗透性[22-23]。另外，Moura-Netto C等[24]的实验还证实，根管充填时，在经过激光治疗的根管上部，封闭材料能更好的渗透入开放的牙本质小管，达到良好的封闭作用；而闭锁的根尖部牙本质小管则可使液体及细菌产物难以进入，从而使微渗漏显著减少[25]。

半导体激光用于根管治疗时除具有上述作用外，还具有促进组织愈合、减少诊间疼痛等作用；而且低强度的半导体激光还可通过刺激细胞增殖、抑制与组织破坏相关的炎症传播酶类等作用，从而诱导组织愈合，并消除组织水肿[15，26]。

3 影响半导体激光对根管消毒效果的因素

3.1 半导体激光器的参数设定

半导体激光因其波长及功率的大范围可调节性而适用于不同学科的各个领域。而应用于根管消毒的半导体激光，一般将其波长控制在800～980 nm较为安全有效。短波长的半导体激光(LLLT，如λ=680 nm)对组织愈合有较强的促进作用，但在杀菌方面的效果较差，不能达到清除粪肠球菌等顽固细菌的目的；而λ>1 000 nm的半导体激光则已进入红外线范围，其对细菌微生物的作用与980 nm相比不仅无明显改善，还可能会对牙体组织造成不良影响。对于输出功率的设定，临床上一般控制在1.5～3.0 W，激光的作用效果随着功率的增大而逐渐加强。但过高的功率也有可能会对根管壁及根尖周组织造成损伤。近期亦有研究显示，半导体激光的作用效果主要取决于激光辐射下牙本质表面各物质之间的化学作用，功率对其影响并不明显[20]。

3.2 光纤与牙本质接触的密切程度

前文提到，根管经半导体激光照射后，其近冠部的牙本质小管多因辐射产生的热效应而趋于开放；与之相反，根尖部的牙本质小管则多发生闭锁。这可能是由于根尖1/3的根管狭窄，激光光纤能更近距离的接触根管壁，使其吸收更多的辐射而造成的。当激光作用于根管壁时，一部分光能量被牙本质中的水分子所吸收，从而使局部辐射区域在短时间内被加热至一个很高的温度。牙本质吸收的能量可随着热能在组织内传播，从而引起蒸发和融化现象。在牙髓治疗中，上诉这种现象可直接导致牙本质小管的闭塞或开放，具体取决于其吸收率[22]；而伸入根管内的激光光纤与根管壁牙本质的接触越密切，组织对辐射热能的吸收率就越高。

3.3 半导体激光在根管内的照射时间

半导体激光光纤伸入根管内照射时间的长短，亦是影响其消毒效果的因素之一。接触时间越长，接触越充分，杀菌效果就越好。在考虑其安全性的条件下，为达到足够的累计时长，临床上一般分多次进行根管消毒，每次控制在5～10 s。

3.4 激光消毒前是否进行常规根管冲洗

半导体激光应用于根管治疗时虽具有显著的抗菌作用，但并非灭菌作用。因此，半导体激光照射仅仅可作为一种辅助的消毒方法，而不能完全替代传统消毒方法。

Gerek M等[17]的实验表明，无论使用哪种激光技术，激光对于根管的杀菌能力都是依赖于其热效应。从原理上来说，激光在组织中的杀菌作用源于其能在非常短的时间段内将辐射能转换为热能。而粪肠球菌具有较强的抗热能力，仅通过激光的热效应并不能达到理想的抗菌效果，甚至还不如NaOCl对其的生化效应。因此只有两者相结合，才能更有效地清除根管内的粪肠球菌。

另外，运用半导体激光照射预备后的根管时，若热效应持续不减，则可使牙本质小管闭锁而形成一种光洁、低渗透性的根管壁；而由于微生物往往可以侵入深达牙本质小管2 000 μm的地方，这种特殊结构亦可能使侵入牙本质小管深部的细菌得到保护[22，27]。因此，有学者认为，在使用半导体激光进行根管消毒前，先用适当的冲洗剂(NaOCl、过氧化氢或生理盐水)进行根管冲洗，则可取得比单纯使用激光更好的杀菌效果[28-29]。Preethee T等[30]利用PCR技术对激光消毒后的样本进行分析时也证实了上述结论，即激光与冲洗剂联合应用时，除能使粪肠球菌在根管内的存活率大大降低外，一些冲洗液(如：生物纯度的MTAD)不但能清除玷污层，还可作为光导介质将光源传播至外围牙本质[29]。相反，越深入牙本质深部，牙本质小管的直径越小，激光辐射的渗透能力也会受到限制，但其所具有的光散射这一固有属性仍有助于抗菌剂发挥作用[15]。利用这种药物冲洗与激光消毒之间的相互作用，可使根管系统得到更彻底的消毒。

4 半导体激光应用于根管消毒的安全性保障

为确保半导体激光应用的安全性，首先需要对术者进行激光仪器应用的相关训练，使之掌握一定的操作技能。因为当参数和时间设定有所不当，将会损伤根管壁及根尖周组织[19]。对于根尖周组织，Alfredo E等[31]认为，输出功率设定为1.5 W和3.0 W的980 nm半导体激光所产生的热能，虽可使牙本质的温度上升约10 ℃，但并未超过根尖周组织所能承受的临界值，因此不会引起热损伤；而运用功率超过3.0 W的持续模式半导体激光时，由于其所产生的热量超过了维持根尖周组织完整性的最大可接受温度，则会对根尖周组织造成一定的损伤。对于根管壁，Faria MIA等[20]认为，使用980 nm波长、1.5 W及3.0 W输出功率的参数设定并不会影响根尖微渗漏，激光照射仅会引起从玷污层改造到最初熔融的超微结构变化，而且这些效应会随激光功率的增加而增强。

由于半导体激光的作用原理主要依赖其辐射产生的热效应，所以其对组织产生的损伤也是因局部温度过高而导致的。为避免此情况的发生，除了上述参数设定需适当外，还应保持激光光纤在根管内作用时的不断移动，以防止能量集中于一个区域，也是有效预防其对组织损伤的方法之一[32]。

5 半导体激光应用于根管消毒的优点

随着激光技术作为辅助方法引入根管治疗中以来，其卓越的杀菌效果已被学者们广泛证实。相比于Nd:YAG激光等固体激光器，半导体激光具有参数可供调节、操作简便、成本低廉、设备轻巧等诸多优点[16,25]。除此之外，半导体激光还可通过调节功率而使根管消毒效果得到进一步提升，而Nd:YAG激光对于功率的限制则过于严苛。Schoop U等[33]的实验结果显示，Nd:YAG激光和半导体激光在功率输出为1 W时，对粪肠球菌的作用均有效；而当功率上升至1.5 W时，则仅半导体激光对微生物具有抗菌作用。

综上所述，半导体激光作为一种新型根管消毒技术被引入临床后，其作用已获得了广大医师的肯定。但基于相关作用原理，激光消毒并不能完全替代传统的药物消毒方法，仅可作为辅助手段与冲洗剂结合使用。而且只要在参数设定、操作时间上严谨规范，用半导体激光进行根管内消毒即可达到令人满意的效果，有望成为临床常规治疗手段。

[1]Haapasalo M, Orstavik D. In vitro infection and disinfection of dentinal tubules [J].JDentRes,1987,66(8):1375-1379.

[2]George S, Kishen A, Song KP. The role of environmental changes on monospecies biofilm formation on root canal wall byEnterococcusfaecalis[J].JEndod,2005,31(12):867-872.

[3]Love RM.Enterococcusfaecalis-mechanism for its role in endodontic failure [J].IntEndodJ, 2001,34(5):399-405.

[4]Stuart CH, Schwartz SA, Beeson TJ,etal.Enterococcusfaecalis: Its role in root canal treatment failure and current concepts in retreatment [J].JEndod, 2006,32(2):93-98.

[5]Mohammed Ahmeduddin, Nagesh B, Narasimha Reddy K,etal. An assessment of bactericidal effect of two different types of lasers onEnterococcusfaecalis: An in vitro study[J].JDentLasers,2012,6:2-6.

[6]Manikandan R, Mithra N Hegde. Comparative evaluation of biofilm formation ability ofE.faecalisin alkaline conditions and its susceptibility to endodontic irrigant regimens-an in vitro microbiological study[J].JDentMedSci(IOSR-JDMS), 2013,4:49-52,3.

[7]Ambica Khetarpal, Ramanathan Ravi. Successful endodontic management using Er,Cr:YSGG laser disinfection of root canal in a case of large periapical pathology[J].IntJDentalSciRes,2013,1(3): 63-66.

[8]Ambica Khetarpal, Ramanathan Ravi. Successful endodontic management using Er,Cr:YSGG laser disinfection of root canal in a case of large periapical pathology[J].InterJDentSciRes,2013,1(3): 63-66.

[9]Kaiwar A, Usha HL, Meena N,etal. The efficiency of root canal disinfection using a diode laser: In vitro study[J].IndianJDentRes,2013,24(1):14-18.

[10]Buck RA, Eleazer PD, Staat RH,etal. Effectiveness of three endodontic irrigants at various tubular depths in human dentin [J].JEndod,2001,27(3):206-208.

[11]Siqueira JF Jr, R as IN, Alves FR,etal. Selected endodontic pathogens in the apical third of infected root canals: A molecular investigation [J].JEndod,2004,30(9):638-643.

[12]Silva Garcez A, Nú ez SC, Lage-Marques JL,etal. Efficiency of NaOCl and laser assisted photosensitization on the reduction ofEnterococcusfaecalisin vitro [J].OralSurgOralMedOralPatholOralRadiolEndod,2006,102(4):e93-e98.

[13]de Souza EB, Cai S, Simionato MR,etal. High-power diode laser in the disinfection in depth of the root canal dentin [J].OralSurgOralMedOralPatholOralRadiolEndod,2008,106(1):e68-e72.

[14]Schoop U, Kluger W, Moritz A,etal. Bactericidal effect of different laser systems in the deep layers of dentin [J].LasersSurgMed,2004,35(2):111-116.

[15]Siqueira JF Jr, R as IN, Favieri A,etal. Chemomechanical reduction of the bacterial population in the root canal after instrumentation and irrigation with 1%, 2.5% and 5.25% sodium hypochlorite[J].JEndod,2000,26(6):331-335.

[16]Mathew J, Emil J, Paulaian B,etal. Viability and antibacterial efficacy of four root canal disinfection techniques evaluated using confocal laser scanning microscopy[J].JConservDent, 2014,17(5):444-448.

[17]Gerek M, Asci S, Yaylali DI. Ex vivo evaluation of antibacterial effects of Nd:YAG and diode lasers in root canals[J].Biotechnology&BiotechnoligicalEquipment,2015,4(50):2031-2034.[18]López-Jiménez L, Arnabat-Domínguez J, Vi as M,etal. Atomic force microscopy visualization of injuries in enterococcus faecalis surface caused by Er,Cr:YSGG and diode lasers[J].MedOralPatolOralCirBucal,2015,20(1):e45-e51.

[19]Kanumuru NR, Subbaiah R.Bacterial efficacy of Ca(OH)2againstE.faecaliscompared with three dental lasers on root canal dentin- anInvitro study [J].JClinDiagnRes,2014,8(11):ZC135-137.

[20]Faria MIA, Souza-Gabriel AE, Alfredo E,etal. Apical microleakage and SEM analysis of dentin surface after 980 nm diode laser irradiation [J].BrazDentJ,2011,22(5):382-387.

[21]Faria MIA, Souza-Gabriel AE, Alfredo E,etal. Apical microleakage and SEM analysis of dentin surface after 980 nm diode laser irradiation [J].BrazDentJ,2011,22(5):382-387.

[22]Parirokh M, Eghbal MJ, Asgary S,etal. Effect of 808nm diode laser irradiation on root canal walls after smear layer removal: A scanning electron microscope study[J].IEJ,2007,2(2):37-42.

[23]Moritz A, Gutknecht N, Goharkhay K,etal. In vitro irradiation of infected root canals with a diode laser: results of microbiological, infrared spectrometric, and stain penetration examinations [J].QuintessenceInt,1997,28(3):205-209.

[24]Moura-Netto C, Palo RM, Camargo SE,etal. Influence of prior 810-nm-diode intracanal laser irradiation on hydrophilic resin-based sealer obturation[J].BrazOralRes,2012,26(4):323-329.

[25]Wang X, Sun Y, Kimura Y,etal. Effects of diode laser irradiation on smear layer removal from root canal walls and apical leakage after obturation [J].PhotomedLaserSurg,2005,23(6):575-581.

[26]Ferriello V, Faria MR, Cavalcanti BN. The effects of low-level diode laser treatment and dental pulp-capping materials on the proliferation of L-929 fibroblasts [J].JOralScience,2010,52(1):33-38.

[27]Baugh D, Wallace J. The role of apical instrumentation in root canal treatment: A review of the literature [J].JEndod,2005,31(5):333-340.

[28]Kreisler M, Kohnen W, Beck M. Efficacy of NaOCl/H2O2irrigation and GaAlAs laser in decontamination of root canals in vitro [J].LasersSurgMed,2003,32(3):189-196.

[29]Mehrvarzfar P, Saghiri MA, Asatourian A,etal. Additive effect of a diode laser on the antibacterial activity of 2.5% NaOCl, 2% CHX and MTAD againstEnterococcusfaecaliscontaminating root canals: an in vitro study [J].JOralScience,2011,53(3):355-360.

[30]Preethee T, Kandaswamy D, Arathi G. Bactericidal effect of the 908 nm diode laser onEnterococcusfaecalisin infected root canals [J].JConservDent,2012,15(1):46-50.

[31]Alfredo E, Marchesan MA, Sousa-Neto MD,etal. Temperature variation at the external root surface during 980nm diode laser irradiation in the root canal [J].JDent,2008,36(7):529-534.

[32]Aoki A, Sasaki KM, Watanabe H,etal. Lasers in nonsurgical periodontal therapy[J].Periodontol2000,2004,36:59-97.

[33]Schoop U, Kluger W, Moritz A,etal. Bactericidal effect of different laser systems in the deep layers of dentin[J].LasersSurgMed,2004,35(2):111-116.

Application of diode laser in root canal disinfection

SUN Chu- wen, ZHU Ya- qin

(ShanghaiNinthPeople′sHospital,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,ShanghaiKeyLaboratoryofStomatology,Shanghai200011,China)

Diode laser device is composed of two layers of semiconductor material which are wrapped in a layer of non- conductive material. The commonly used elements are Gallium (Ga), Arsenide (As), Aluminium (Al) and Indium (In). Diode laser is widely used in the treatment of oral and dental diseases because it can penetrate into tooth tissues. The most widely used wavelength of diode laser is ranged from 800 to 980 nm. Presently diode laser irradiation is an efficient method of root canal disinfection. This paper summarizes the research progress of diode laser in root canal therapy, especially the mechanism and influencing factors in root canal disinfection.

diode laser; root canal disinfection;Enterococcusfaecalis; dentinal tubules

2015-04-23

孙楚文(1990-)，女，汉族，上海人。硕士生

朱亚琴，E-mail：zyq1590@163.com

R781.3

A

1005-2593(2015)12-0750-05

(导师:朱亚琴)