Er, Cr: YSGG与Er: YAG激光诱导牙本质表面改性用于树脂复合材料粘接的定性分析

《Lasers in Dental Science》：Qualitative analysis of dentin surface modifications induced by Er, Cr: YSGG and Er: YAG laser for resin composite bonding

　　

摘要

目的：本研究旨在探讨Er, Cr: YSGG和Er: YAG激光在不同操作参数下对牙本质表面产生的不同改性效果。

方法：收集33颗完好的、无龋人类第三磨牙，并将其切片以暴露平坦的牙本质表面。每个样本经过抛光处理，并划定一个2×2 mm的区域用于激光照射。根据激光类型、照射时间、工作尖直径和应用模式将样本分为十一组。Er: YAG激光以非接触模式照射30秒、1分钟和2分钟，而Er, Cr: YSGG激光则以接触模式使用不同工作尖和暴露时间进行照射。对照组包括未处理的牙本质和使用37%磷酸酸蚀的牙本质。所有样本均经过扫描电子显微镜（SEM）制备，并对表面形态和元素组成（钙和磷）进行定性分析。

结果：经Er, Cr: YSGG激光照射的牙本质表面呈现粗糙、无玷污层且牙本质小管扩张的特征，尤其是在照射30秒和1分钟后更为明显。使用任一种激光进行长时间照射（2分钟）均导致表面过度粗糙、不规则，并出现裂纹、凹坑和玷污层形成。经Er: YAG处理的牙本质呈现明显的表面不规则性和玷污层存在，即使在较短照射时间下，牙本质小管开放也有限。元素分析显示各组间钙和磷含量存在显著差异（p＜0.05）。

结论：当选择适当参数时，Er, Cr: YSGG和Er: YAG激光均能以不同于磷酸酸蚀但可与之比拟的方式定性改变牙本质表面的形态学表现。

研究背景与意义：铒激光在牙本质表面改性中的定性分析

树脂复合材料与粘接系统已成为当代修复牙医学的基石材料，其核心理念是微创治疗原则，即在选择性去除龋坏组织的同时最大限度地保留健康牙体组织。粘接牙医学发展的重要里程碑是Buonocore博士引入的牙釉质酸蚀技术，该技术显著增强了釉质-树脂粘接强度，为现代粘接程序奠定了基础。混合层的质量是影响复合树脂修复体远期使用寿命的关键因素，其形成包括两个阶段：第一阶段为牙本质酸蚀处理，即酸调质过程，使牙本质脱矿深度约5–15 μm，牙本质小管口因管周牙本质无机成分的部分溶解而增宽并呈漏斗状形态；第二阶段为粘接单体渗入牙本质表面微孔及暴露的胶原纤维网络，实现粘接剂与牙本质基质间的微机械锁合，随后经光引发聚合形成既依赖微机械固位又依赖化学结合的树脂修复体。

随着激光在当代牙科实践中的日益广泛应用，理解激光辅助窝洞预备所产生的牙本质表面特征及其增强树脂基修复体耐久性和临床性能的潜力至关重要。铒激光，包括Er, Cr: YSGG（铒，铬：钇-钪-镓-石榴石；λ=2.78 μm）和Er: YAG（铒：钇-铝-石榴石；λ=2.94 μm），因其对羟磷灰石和水的高吸收性而被广泛用于硬牙体组织消融。中红外波段激光对牙本质的改性是受控光热消融与过度热蓄积之间的平衡——前者有效去除玷污层，后者则导致结构损伤。优化照射参数可调控有益微粗糙化与有害形态改变之间的转换，凸显了能量密度和暴露时间在临床激光调质方案中的重要性。以往大多数体外研究采用了相似的照射参数，主要关注铒激光照射的一般形态学效应，而关于临床上相关的照射时长变化和工作尖构型对牙本质形态学影响的信息有限。因此，有必要进一步研究铒激光在何种条件下可能对牙体组织表面改性有益。

研究人员收集了33颗完好无龋的人类第三磨牙，样本来源于亚里士多德大学塞萨洛尼基牙学院口腔颌面外科、种植学和放射学诊所拔牙后的收集，经患者书面知情同意后用于研究目的。研究经亚里士多德大学牙学院研究伦理委员会批准（批准号：22/27-03-2024）。牙齿在拔除后一个月内使用，经超声洁治后包埋于自凝丙烯酸树脂中，垂直于牙体长轴切片暴露平坦牙本质表面，依次经600目碳化硅砂纸抛光1分钟，并在牙本质表面中央标记2×2 mm的照射区域。样本分为十一组（每组n=3），根据激光类型、照射时间、工作尖直径和应用模式进行区分。Er: YAG激光以非接触模式在距表面1 mm处照射，参数为脉冲重复频率10 Hz、平均功率1.2 W、脉冲能量120 mJ、水气设置均为7级，使用直径800 μm的CS800F工作尖，能量密度为23.9 J/cm2，以连续扫掠模式照射30秒、1分钟和2分钟。Er, Cr: YSGG激光以接触模式使用MZ8工作尖（直径800 μm，长度6 mm）或MZ6工作尖（直径600 μm）照射，参数为平均功率4.5 W、脉冲持续时间140 μs、脉冲重复频率50 Hz、80%水喷雾和60%气流，MZ8工作尖能量密度为17.9 J/cm2，MZ6工作尖为31.8 J/cm2，照射时间分别为30秒、1分钟和2分钟。阳性对照组使用37%磷酸酸蚀15秒，阴性对照组不接受任何处理。

研究采用了扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）作为主要分析手段。SEM在20 kV加速电压下进行，每个样本从处理牙本质表面的四个不同区域获取放大倍数为×500、×1000和×2000的图像，由两名盲法检查者独立评估形态学改变。EDS分析用于测定处理后牙本质表面的元素组成（钙和磷），每个样本从不同代表性区域采集三个光谱，取平均值作为统计单位。统计分析采用SPSS Statistics 25.0软件，通过Shapiro-Wilk和Levene检验评估数据的正态性和方差齐性，采用非参数Wilcoxon符号秩检验和Kruskal-Wallis检验分析牙本质矿物组成，显著性水平设定为α=0.05。

SEM观察结果显示，磷酸酸蚀的牙本质表面完全去除玷污层和玷污栓，牙本质小管口清晰暴露并增宽，管间牙本质呈多孔外观，可见暴露的胶原纤维，管周牙本质对脱矿更具抵抗力。相比之下，激光处理的牙本质表面更不规则和异质，无玷污层，牙本质小管不同程度开放或部分闭塞，并观察到羟基磷灰石熔融和再固化区域，产生釉化或非晶态表面形态。Er: YAG激光处理的牙本质未显示出明显的牙本质小管开放，即使在30秒照射时也是如此，表面呈现显著不规则性且无玷污层。而Er, Cr: YSGG激光照射的牙本质样本表面不规则、无玷污层且牙本质小管开放，SEM图像清晰显示羟基磷灰石的熔融现象，其外观在文献中被比作“熔融焦糖”样表现。使用Er, Cr: YSGG激光照射30秒和1分钟时观察到最大数量的开放牙本质小管，且两种工作尖的结果一致。照射时间明显影响牙本质质量，2分钟处理对于2×2 mm的表面似乎过长，两种激光使用2分钟均产生具有大凹坑的不规则表面，可能不适合树脂复合材料粘接。进一步分析显示，MZ6工作尖产生更均匀的表面，表现为完全去除玷污层、清晰暴露且轮廓分明的牙本质小管，以及相对均匀的管间牙本质不规则性；而MZ8工作尖处理的表面更不规则和异质，牙本质小管开放程度不一或部分闭塞，熔融和再固化区域更频繁，微裂纹和凹坑样缺陷在较长照射时间下更为常见。

EDS分析结果显示，磷酸酸蚀导致钙和磷含量降低，Ca/P比下降，反映了牙本质表面的脱矿和有机基质暴露。相比之下，激光照射的牙本质表现出钙和磷含量的保持或增加，Ca/P比升高，表明热效应引起的矿物相改性和可能的再结晶，在2分钟照射时间下更为显著。Er: YAG和Er, Cr: YSGG激光处理的牙本质在元素组成百分比方面未显示出实质性差异，两组均检测到高浓度的钙和磷。总体而言，经Er, Cr: YSGG激光处理且牙本质小管更清晰开放的表面，其钙和磷浓度略高于Er: YAG处理表面。使用MZ6工作尖照射的牙本质通常表现出略高的钙和磷浓度以及更稳定的Ca/P比，表明矿物相保存或浓缩更好；而MZ8工作尖处理的表面钙和磷水平略低，元素分布变异性更大，这与更激进的激光-牙本质相互作用导致的局部熔融、再固化和部分矿物损失或再分布相关。

讨论部分指出，以往关于激光处理与磷酸酸蚀对粘接强度影响的报道存在争议。有研究报道磷酸酸蚀在粘接强度和牙本质-树脂界面微渗漏方面优于激光处理，也有研究未观察到Er: YAG激光酸蚀后的有益效果。另一方面，与Er: YAG和Er, Cr: YSGG激光处理的牙本质组相比，磷酸酸蚀牙本质表面的基质金属蛋白酶（MMP）介导的胶原降解显著更高（酶活性降低55–75%）。混合层厚度在决定牙本质-树脂粘接强度中起关键作用，从而影响复合树脂修复体的长期耐久性。Kallis等人的研究表明，Er: YAG激光处理的牙本质表面形成的混合层几乎是酸蚀牙本质的三倍厚（约9 μm对3.5 μm），这归因于更深的脱矿区和暴露的胶原纤维促进粘接单体更深渗透。激光参数如波长、脉冲能量、脉冲频率、脉冲持续时间、能量密度、照射时间、工作尖设计等均影响激光预备牙本质的特征。Er: YAG激光（2.94 μm）在水中的吸收系数（μ_A=1200 mm^-1）高于Er, Cr: YSGG激光（2.78 μm，μ_A=400 mm^-1），导致更有效的能量吸收和更显著的热机械消融。工作尖直径通过改变激光光斑尺寸和能量密度影响牙本质形态：在相同脉冲能量设置下，较小直径的MZ6工作尖（约600 μm）将能量集中在较小面积上，产生比MZ8工作尖（约800 μm）更高的能量密度（31.8 J/cm2对17.9 J/cm2，增加43.7%），促进更强化的流体动力消融，产生更明显的微小不规则性和更一致的牙本质小管开放。研究存在局限性，包括体外设计无法完全模拟临床环境、分析主要为定性性质、EDS测量属于探索性且样本量较小、未进行定量表面粗糙度和粘接性能评估等。

研究结论为：在本体外研究的局限范围内，可以得出结论：Er: YAG和Er, Cr: YSGG激光能够以不同于磷酸的方式改性牙本质表面。在现有条件下，使用MZ6工作尖的Er, Cr: YSGG激光在以下参数下表现出最有利的微观外观，并产生可能在形态学外观上与磷酸酸蚀效果相当的、适合粘接程序的牙本质表面特征：平均功率4.5 W、频率50 Hz、脉冲持续时间140 μs、脉冲能量90 mJ，照射30秒。需要进一步研究，特别是粘接强度测试，以验证激光处理在临床牙科操作（如树脂复合材料粘接前牙本质预处理）中的实用性。