Er：YAG激光照射牙科全瓷材料后的光透射率和温度变化分析

2022-06-24贠照强徐淑兰易枚枚程鸣威林国业

口腔材料器械杂志 2022年2期

杨烁贠照强徐淑兰易枚枚程鸣威赵磊林国业许庆

（1.南方医科大口腔医院·广东省口腔医院，广州 510280）； 2. 南方医科大学生物工程学院，广州 510000）

人工牙冠主要应用于龋病、牙折断或者是其他原因导致牙体缺损的修复。近年来，口腔材料迅速发展，全瓷修复体在临床中应用广泛。与金属全冠和烤瓷熔附金属冠相比，全瓷修复体具有良好的美学效果和生物相容性，对磁共振成像影响较小。除此之外，全瓷材料具有良好的透光性，可以形成多层次的立体视觉效果，美学效果接近天然牙。通过调节材料内部微量元素和微晶体来表现不同的颜色特征和透光度，使全瓷修复体更加逼真。

全瓷材料具有脆性和低延展性，变形时不能有效地缓冲外界能量，在发生拉伸时可能被破坏，因此在临床应用中也表现出一定的破坏率。有研究表明全瓷修复体戴用2年后饰瓷崩裂率高达15%。继发龋、基牙牙髓病变等都可能需要拆除患者修复体。常规办法是使用金刚砂或者钨钢车针进行磨除，结合破除工具破坏全瓷冠的完整性，使其得以拆除。但全瓷材料极其坚硬稳定，材料内氧化锆以四方晶相结构存在，强度可达上千兆帕。破除牙冠不仅耗时，还会对牙齿硬组织造成损伤，甚至伤及牙髓以及周围组织，治疗体验很差。即便如此，全瓷修复体移除也是不完整的，不能够被再次利用。

在临床工作当中，已经开始采用激光来去除全瓷修复体或者全瓷正畸附件（见图1）。相关研究表明利用激光可以有效地去除全瓷修复体。Jeffrey P和Cynthia K采用Er：YAG激光来移除全瓷修复体和贴面。Keller U认为使用Er：YAG激光消融复合树脂对口腔组织来说是安全的。和传统方法相比，使用Er：YAG激光移除全瓷修复体效率更高、不会破坏修复体的完整性和伤及基牙周围软硬组织。合理使用激光辅助移除全瓷修复体会成为趋势。

图1 牙科激光精准分离全瓷粘接复合体

激光辅助移除全瓷修复体的作用机理是激光能量穿过一定透光度的全瓷材料，使内部粘接材料消融，但操作不当会灼伤口腔内健康软硬组织。Zach和Cohen的研究证明了牙髓组织在温度升高低于5.6℃时能保持生物活性，而高于16℃将导致牙髓组织全部失去活性。P.Rechmann认为在配合有效降温时，合理使用激光辅助移除全瓷修复体时，牙髓腔的温度增高不高于5.5℃。本课题组研究发现激光去除全瓷修复体时会在局部区域形成瞬时高温，余留粘接剂和牙体组织可能会出现碳化。若激光功率过大或者操作时间过长时会对周围的组织，如牙釉质、牙本质或者牙髓产生不可逆的损伤，这需要在临床中重点注意，同时也是本课题组研究的主要方向。

本课题组前期实验证实使用Er：YAG激光可以完整有效地拆除全瓷修复体，同时激光工作时的热量传递和分布可能会对邻近结构有影响。但是，在Er：YAG激光移除全瓷修复体时，光学特性的不同是否会对其温度变化产生影响尚不确定，因此本文拟通过体外实验首次评估Er：YAG激光作用于不同光学特性的全瓷材料后其温度变化的情况，分析其相互之间可能存在的关系，为临床采用Er：YAG激光去除不同光学特性的全瓷修复体提供指导。

1 材料和方法

1.1 全瓷材料及样本制备

采用两种不同的全瓷材料进行分析，分别是Zenostar T （ Ivoclar Vivadent， Switzerland）和X-CERA TT （Xtcera，China）。采用CAD/CAM加工系统从两种全瓷材料坯体中切取大小为10 mm×10 mm，厚度分别为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm 4种规格的立方体，每种厚度制备3 块样品，共24块。制备完成后，于蒸馏水中超声清洗 5min，干燥后置于高温炉内进行烧结，游标卡尺测量样品厚度，误差控制在±0.02 mm。瓷块的加工由南方医科大学口腔医院技工中心完成。

1.2 光学性能测试

采用PR2650分光光度计（photo R esearch公司，美国），在紫外光区域（200～380 nm）、可见光区域（380～780 nm）及红外光区域（780～2 500）3种不同波长情况下，分别测试不同厚度的两种全瓷样品的光透射率，每个试件测3次，取平均值。

1.3 温度检测

设定 Er：YAG 激光（Fidelis Plus III； Fotona， Slovenia）波长为2.94 μm，用15 Hz的重复频率，脉宽为330 μs，将激光光斑直径固定为1 mm。激光位于样品正上方7 mm处，垂直于样品表面进行照射，在无水降温情况下，在每个样品的不同位置照射3次，一次照射持续时间为5 s。激光能量从50 mJ开始，以50 mJ的能量逐级增加，至250 mJ停止。将热电偶温度计探头紧贴样品的背面，测量激光穿透陶瓷后的温度变化。热电偶探头的起始温度（环境温度）是18.6℃，完成一次测量后，待回到初始温度后，进行下一次温度测量。所有的温度测定均在室温下进行。实验数据使用SPSS 17.0进行统计分析。

2 结果

2.1 全瓷样品光透射率检测

不同波长的标准光源下Zenostar T 和X-CERA TT全瓷样品的光透射率检测结果见表1，统计结果见图2。

图2 Zenostar T和X-CERA TT的透光度比较（%）

表1 Zenostar T和X-CERA TT的透光度结果（%）

样品厚度Zenostar T X-CERA TT紫外光可见光红外光紫外光可见光红外光1.0 mm 1.4±0.45 1.5±0.44 1.8±0.39 1.4±0.38 1.5±0.51 5.0±0.84 1.5 mm 1.0±0.43 1.1±0.38 1.6±0.33 1.0±0.44 0.8±0.45 3.2±0.95 2.0 mm 0.7±0.37 1.0±0.31 1.4±0.28 0.6±0.22 0.5±0.45 2.4±0.80 2.5 mm 0.3±0.17 0.7±0.30 1.2±0.24 0.5±0.16 0.4±0.34 1.6±0.7

2.1.1

紫外光透射率 Zenostar T与 X-CERA TT样品的紫外光透射率接近，透射范围均在1.4% ～ 0.5%之间，在部分相同厚度时两种样品的紫外光透射率甚至一致。总体来说两种全瓷样品在紫外光下的透射率差异无统计学意义（

＞0.05）。在紫外标准光源下，Zenostar T 和X-CERA TT样品的光透射率与样品的厚度呈反比关系：材料厚度越大，光透射率越低。

2.1.2

可见光透射率自然光下，同等厚度的Zenostar T比 X-CERA TT样品更白，阻射效果更好（图3 ）。X-CERA TT与Zenostar T全瓷样品的可见光透射率分别为1.6% ～ 0.9%和1.3% ～ 0.9%。前者要高于后者，但是两者之间差异无统计学意义（

＞0.05）。两者的可见光透射率均随着样品厚度的增加而降低。

图3 1 mm厚度的的样品

2.1.3

红外光透射率 X-CERA TT样品的红外光透射率要明显高于Zenostar T （

＜0.05）。在1mm样品厚度下，X-CERA TT样品红外光透射率为5.1%，Zenostar T样品仅为1.8%。但是随着瓷块厚度的增加，X-CERA TT样品的红外光积分透射率下降速度更快。两种样品的红外光透射率均随着厚度的增加而下降。随着材料厚度的增加，所有材料在任一光源下的积分透射率都有下降。在200 ～ 780 nm波长光源照射下，Zenostar T与X-CERA TT的光透射率相比差异无统计学意义（

＞0.05）；而随着照射光源波长的增加，X-CERA TT样品的光透射率逐渐增加，并高于Zenostar T样品（

＜0.05）。

2.2 激光照射过程中的温度变化

激光照射下样品的温度检测结果见表2 ～ 3。 1 ～ 2.5 mm厚的Zenostar T全瓷样品在50 ～ 250 mJ的激光能量照射下，样品背面的温度范围为5.01℃ ～ 56.5℃；而X-CERA TT全瓷样品背面的温度范围为3.67℃ ～ 34.4℃。激光照射不同厚度的全瓷样品后，材料越厚，温度变化越小；材料越薄，温度变化越大。在相同激光能量照射下，相同厚度的Zenostar T样品在测试中表现出来的温度变化幅度大于X-CERA TT。

表2 不同能量激光作用Zenostar T全瓷样品后温度变化值（℃）

Zenostar T 50 mj 100 mJ 150 mJ 200 mJ 250 mJ 1.0 mm 14±1.43 21±1.33 32±0.93 58±1.24 55±1.50 1.5 mm 10±1.53 17±0.96 31±1.19 42±1.26 57±0.76 2.0 mm 9±0.56 16±0.43 26±0.26 29±0.39 40±0.16 2.5 mm 6±1.03 12±0.38 13±0.67 21±0.66 26±0.43

全瓷样品在同一厚度下时，随着激光照射能量的增加而测试温度呈上升趋势。当样品为1 mm厚度时，以50 mJ 和250 mJ能量照射Zenostar T样品，测试温度的差值为41.3℃；X-CERA TT全瓷样品测试温度的差值为25.8℃。随着材料厚度的减小和激光照射能量的增加，Zenostar T和X-CERA TT均表现出温度变化值的增加。

将不同厚度的 Zenostar T和X-CERA TT样品在不同激光能量穿透后的温度变化值通过重复测量方差分析：在1 ～ 1.5 mm样品厚度区间内，随着Er：YAG激光照射能量增加后，Zenostar T样品的温度升高幅度均高于X-CERA TT样品（

＜0.05）；样品为2 ～ 2.5mm厚度时，Zenostar T和X-CERA TT样品的温度变化幅度之间差异无统计学意义（

＞0.05）。

表3 不同能量激光作用X-CERA TT全瓷样品后温度变化值（℃）

X-CERA TT 50 mJ 100 mJ 150 mJ 200 mJ 250 mJ 1.0 mm 8±2.36 15±1.63 21±1.31 27±1.06 33±1.36 1.5 mm 8±1.29 13±1.36 17±0.47 22±1.36 25±1.12 2.0 mm 7±0.43 13±0.37 15±0.76 20±0.96 25±0.67 2.5 mm 4±0.33 9±0.62 13±0.38 26±0.74 16±0.97

3 讨论

全瓷材料能获得良好的美学效果是由于其具有一定的透明度。光本质是电磁波，由波长不同的红外光、可见光和紫外光组成。全瓷材料的透明度可使照射光线部分反射、吸收和透射。全瓷材料的化学性质、晶体数量、晶体直径、气孔率以及烧结密度决定了光在其内部的反射、吸收、散射及透射系数。通过调节材料内微量元素或氧化锆的晶相，使其表现出不同的光学特性。材料的光透过率可通过分光光度法计算，通过测量不同波长光源穿过物体或反射的光谱功率而得出。

Er：YAG激光属于中红外线激光，波长为2.94 μm，在口腔临床工作中有广泛应用，将其应用于全瓷修复体的移除属于新的应用方向。本实验中Er：YAG激光照射频率设定在15 Hz，脉宽为330 μs，使用激光手具将激光光斑直径控制在1 mm。能量设定为50 mJ ～ 250 mJ，基本涵盖常规的临床操作设定，因此，实验结果对临床工作有实际参考价值。同时，温度采用热电偶温度计进行测量，该方式灵敏度高，测量准确，在同类实验中被广泛应用。

朗伯定律指出：在一定的波长下，光的吸收量与吸光材料的厚度成正比，透光率与材料本身特性以及厚度密切相关。样品的厚度与透光率成指数关系。本实验中随着测试样品厚度增加，两种材料在任一光源下的透射率都存在着下降。不同厚度Zenostar T和X-CERA TT样品的光透射率服从指数传递。检测Zenostar T和X-CERA TT两种样品在不同波长光源下的光透射率，发现在紫外光和可见光源下两者光透射率无明显统计学差异；但是在红外光源下，X-CERA TT样品的光透射率明显高于Zenostar T，这与材料本身元素和晶相的构成密切相关。

随着材料厚度的增加，激光照射能量不变的情况下，测试样品的温度变化急剧减小。全瓷材料是热的不良导体，但是不同全瓷材料在厚度和激光作用能量不同时，其表现仍有差异。在样品厚度不超过1.5 mm时，Zenostar T被激光照射后的温度变化程度要大于X-CERA TT样品。而随着材料厚度的持续增加，更多的激光能量传递不能形成更大的温度变化，不同的全瓷材料的温度变化幅度就不会形成有意义的差异。

但是，通过比对两种样品在不同厚度下的光透率和温度变化之间的关系，发现两者之间并不能形成有效对应函数，Er：YAG激光穿透齿科全瓷材料后的温度变化与材料光学特性不存在明显相关性。同时通过对比激光照射同等厚度的不同全瓷样品后发现，材料光学特性对临床中激光穿透后温度变化的影响较小。