CC BY
27
ЛАЗЕР-КИСЛОТНЫЙ СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ЭМАЛИ ЗУБА
ЧЕЛОВЕКА
А.В. Беликов, А.В. Скрипник
Сообщается о первых результатах применения нового комбинированного способа деструкции композитных материалов при их совместной обработке лазерным излучением и водным раствором кислоты. Исследована его эффективность на примере обработки эмали зуба человека in vitro. Показано, что эффективность лазер-кислотного способа удаления эмали более чем в три раза превышает эффективность удаления эмали по сравнению с только лазерным излучением.
Введение
Уникальные физико-механические и химические свойства композитных материалов зачастую требуют специальных способов их обработки, а непрерывно возрастающие требования к точности, скорости и эффективности такого процесса диктуют необходимость создания новых обрабатывающих технологий. Обычно выбор способа обработки композитных материалов искусственного происхождения обусловлен только техническими требованиями к конечному продукту, деструкция же биологических композитных материалов (особенно в медицине) практически всегда сопряжена с дополнительным риском и ограничениями.
Композитные материалы - это материалы, состоящие из двух и более компонентов и связующей их матрицы, причем компоненты композитов не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга [1]. Как правило, свойства композитных материалов нельзя определить только по свойствам конкретных компонентов без учета их взаимодействия [2].
Композитные материалы классифицируют по следующим основным признакам: материалу матрицы и армирующих элементов, геометрии компонентов, их структуре и расположению, а также методу получения. И хотя в литературе обычно упоминаются искусственные или синтезированные композиты, однако понятие композитного материала в широком смысле, безусловно, включает и природные материалы. К таким «естественным» композиционным материалам можно отнести зуб человека. Основными твердыми тканями зуба являются эмаль и дентин. Они имеют сложную микроструктуру. Эмаль - это наиболее твердая ткань человеческого организма. Основным ее структурным элементом являются эмалевые призмы (армирующий элемент), направленные от дентина корня к поверхности коронки зуба. Эмалевые призмы имеют жесткую кристаллическую структуру. Органические вещества и вода составляют лишь небольшую ее часть, а именно ~5-5.5%. Между эмалевыми призмами находятся межпризменные пространства, заполненные неупорядоченными кристаллами гидроксилапатита (матрица) [3].
Современные технологии обработки зуба, прежде всего, сталкиваются с проблемой эффективного и безболезненного разрушения эмали, защищающей все прочие структуры зуба от внешнего воздействия. В настоящее время наиболее перспективной технологией обработки эмали является лазерная, основное преимущество которой заключается в том, что воздействие на зуб производится практически безболезненно для пациента [6]. Среди основных способов лазерной обработки твердых зубных тканей можно выделить два. Идея первого способа заключается в воздействии лазерного излучения на белковые органические компоненты зуба, пик поглощения которых лежит в ультрафиолетовой и синей областях оптического диапазона длин волн. Для этого используют излучение гармоник, например, неодимового лазера и излучение эксимерных лазеров [7]. Известно, что в состав дентина входит много белка, в то время как в эмали присутствует лишь небольшое его количество. Поэтому при воздействии на такую
ткань лазерный способ малоэффективен. Второй способ обработки состоит в воздействии лазерным излучением на другие компоненты зуба, а именно на гидроксилапатит Са12[PO4]3(OH)2 и воду. Гидроксилапатит - это основной компонент в эмали и дентине, пики поглощения которого лежат в диапазоне 2-10 мкм [8], поэтому для его эффективного удаления хорошо подходит излучение тулиевого (А,=1.96 мкм), гольмиевого (^=2.12 мкм) и эрбиевого (^=2.94 мкм) лазеров, воздействующее на ОН-группу гидро-ксилапатита и воду, а также излучение СО2-лазера (А,=9-11 мкм), которое активно поглощается РО-группами гидроксилапатита и водой. Все это позволяет с успехом использовать лазерный способ для обработки твердых тканей зуба [9].
Наиболее удачным лазером для обработки эмали следует считать Бг:УЛО лазер (^=2.94мкм) [10]. Воздействие его излучения приводит к сильному локальному нагреву воды, присутствующей в эмали, что вызывает появление микровзрывов. Фрагменты эмали удаляются из кратера высоким давлением, вызванным перегретым паром. Однако, несмотря на положительный в целом эффект применения лазеров в стоматологии, скорость удаления эмали при лазерной технологии практически в два раза уступает традиционным механическим [11]. В этой связи поиск новых путей, позволяющих увеличить эффективность удаления эмали лазерным излучением, остается достаточно актуальным.
В 2001 году появились первые сообщения о возможности использования кинетической энергии продуктов лазерной абляции совместно с лазерной обработкой эмали [12]. Отмечено, что дополнительное внесение в зону лазерного воздействия твердых частиц сапфира позволяет в значительной мере увеличить эффективность обработки эмали. Однако использование абразива требует специальных устройств для его эвакуации и защиты окружающих тканей от разрушительного действия частиц, что существенно усложняет процедуру.
Авторы настоящей работы предлагают увеличить эффективность разрушения эмали зуба человека излучением Бг:УЛО лазера за счет предварительной (или одновременной с лазерной) химической обработки эмали. Химическая обработка предполагает использование водного раствора пищевой кислоты с оптимальными значениями рН и температуры для ослабления связей между элементами композита (эмали), а именно: для разрушения межпризменных пространств (матрицы) с частичной деградацией эмалевых призм. В работе мы оценили скорость химической модификации, влияние глубины химически модифицированного слоя в эмали на порог ее лазерного разрушения, исследовали эффективность лазерного удаления интактной и химически модифицированной зубной ткани.
Материал и метод. Описание результатов
В качестве химического реагента мы использовали водный раствор пищевой лимонной кислоты с рН=3.2±0.2 при температуре —+4°С. Для определения глубины химической модификации эмали после завершения кислотного воздействия делался шлиф зоны обработки (поперек поверхности), по которому под микроскопом проводилась оценка глубины модифицированного слоя. Типичные зависимости глубины химически модифицированного слоя от продолжительности воздействия кислотного реагента на эмаль зуба представлены на рис. 1. Видно, что с течением времени водный раствор кислоты все глубже и глубже внедряется под поверхность эмали. При этом на начальном этапе (до трех суток) скорость модификации была ниже, чем при более долгих сроках кислотного воздействия. Этот факт может быть связан с тем, что вначале действию кислоты подвергается наиболее прочный наружный слой эмали, содержащий фтор (типичная толщина слоя —10 мкм). После же его видоизменения кислота начинает дейст-
вовать на менее прочные глубинные слои ткани, скорость модификации возрастает, причем, достигнув определенного значения, далее практически не меняется.
ВРЕМЯ, сутки
Рис.1. Зависимость глубины модифицированного слоя в эмали от продолжительности
кислотного воздействия
В экспериментах по измерению порога лазерного разрушения мы использовали свежеэкстрагированные интактные зубы человека. Поверхностный слой эмали на половине интактной коронки был химически модифицирован под действием водного раствора пищевой лимонной кислоты с рН=3.2±0.2 при температуре —+4°С. Далее мы измерили порог лазерного разрушения как минимальную плотность энергии излучения Бг:УЛО лазера, под действием которой на поверхности зубной ткани начинают происходить видимые изменения. Взаимосвязь между порогом лазерного разрушения эмали и глубиной модифицированного слоя представлена на рис. 2. Видно, что величина порога лазерного разрушения кислотно-модифицированной ткани ниже, чем у интактной. Так, например, для трехсотмикронного слоя значение порога снизилось практически в 1.5 раза.
X
Эг.
£ ^
— и
о
12.5 12.0 11.5 И.о 10.5-110.0
9.5
О с-С
9.0 8.5 8.0 7.5 7.0
интактнац эмаль
модифицированная эмаль
—I—
50
—|—
100
—I—
150
—I—
200
—1—
250
—I—
300
350
ГЛУБИНА, мкм
Рис.2. Зависимость порога лазерного разрушения эмали от глубины
модифицированного слоя
В экспериментах по исследованию эффективности удаления эмали мы также использовали свежеэкстрагированные интактные зубы человека. Поверхностный слой эмали на половине интактной коронки был химически модифицирован под действием
водного раствора пищевой лимонной кислоты на глубину —300 мкм. После модификации образцы были помещены в дистиллированную воду и при температуре —+4оС хранились в темном месте вплоть до экспериментов, но не более 4 суток. В экспериментах модифицированные образцы подразделялись на две группы. В первой группе образец до лазерной обработки в течение суток хранился на открытом воздухе, а во второй группе - извлекался из дистиллированной воды непосредственно перед началом лазерного воздействия. Таким образом, к моменту лазерного облучения образцы первой группы содержали в пористом модифицированном слое предположительно меньшее количество воды, чем образцы второй группы. Эффективность удаления эмали определена как отношение значения удаленного объема эмали к величине затраченной на это суммарной лазерной энергии. Лазерная обработка проведена при следующих параметрах излучения: ^=2.94 мкм, т=(200±20) мкс по полувысоте, f=1 Гц, неконтактный режим, энергия лазерного импульса непосредственно на объекте - порядка 0.05 Дж, диаметр светового пятна на поверхности объекта - (515 ±60) мкм (по уровню 0.9 интенсивности).
Рис. 3 иллюстрирует типичный внешний вид полученных в эксперименте кратеров (поперечный разрез). Эффективность удаления интактной и модифицированной эмали излучением субмиллисекундного Бг:УЛО лазера от количества импульсов излучения приведена на рис. 4. Видно, что для первого лазерного импульса эффективность удаления модифицированного водным раствором пищевой лимонной кислоты слоя эмали выше эффективности удаления интактной эмали в среднем в 3.5 раза. Очевиден факт влияния содержания в модифицированном слое воды на величину эффективности удаления. Так, эффективность удаления эмали для образцов второй группы (облучаемых сразу после их извлечения из емкости с дистиллированной водой) более чем в 1.5 раза выше эффективности удаления эмали для образцов первой группы. С увеличением числа импульсов излучения эффективность удаления падает для всех образцов, что может быть связано с увеличением глубины кратера при практически постоянном его диаметре. Рост же глубины за счет удаления плоскости дна кратера от плоскости фокусировки лазерного пятна приводит к снижению плотности энергии излучения.
Рис.3. Иллюстрация типичного внешнего вида получаемых в эксперименте кратеров в зависимости от состояния эмали: (а) - интактная ткань; (б) - образец из первой группы, (в) - образец из второй группы.
КОЛИЧЕСТВО ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ Рис. 4. Зависимость эффективности лазерного удаления эмали от ее состояния
и количества лазерных импульсов
Заключение
В работе показано, что предлагаемый нами лазер-кислотный способ позволяет значительно интенсифицировать процесс обработки зубной эмали, а именно, более чем в три раза повысить эффективность удаления эмали субмиллисекундным излучением Er:YAG лазера по сравнению с просто лазерной обработкой при аналогичных характеристиках.
Литература
1. Справочник по композитным материалам / Под ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, Т. 1, 1987.
2. Вишняков Л.Р., Грудина Т.В., Кадыров В.Х. и др. Композиционные материалы: Справочник. Киев: Наукова думка. Институт проблем материаловедения, 1985.
3. Грошиков М.И. Профилактика и лечение кариеса зубов. М.: Медицина, 1980.
4. Справочник стоматолога. М.: Медицина, 1993.
5. Nielsen A. Ultrasonic dental cutting instrument // I-II. JADA. 1955. Vol. 50. № 4. P.
392-399.
6. Goldman L., Gray J.A., Goldman J., Goldman B., Meyer R. Effects of laser impact on teeth // JADA. 1965. Vol. 70. P. 601-606.
7. Lustman J., Ulmansky M., Fuxbrunner A., Lewis A. 193 nm excimer laser ablation of bone // Lasers Surg. Med. 1991. Vol. 11. P. 51-57.
8. Koort Hans J., Frentzen Matthias YAG-lasers in Restorative Dentistry. A histological investigation // SPIE. 1991. Vol. 1643. P. 403-405.
9. Keller U. Lasers in dentistry. Future trends in biomedical applications of lasers // SPIE. 1991. Vol. 1424. P. 127-133.
10. Walsh J.T., Deutsch T.F. Er:YAG laser ablation of tissue: measurement of ablation rates // Lasers Surg Med. 1989. Vol. 9. P. 327-337.
11. Jelinkova H., Dostalova T., Dolezalova L., Krejsa O., Hamal K., Kubelka J., Prochazka S. Comparison of preparation speed of Er:YAG laser and conventional drilling machine // Proc. SPIE Lasers in Dentistry III Vol. 2973, p. 2-10
12. Altshuler G.B., Belikov A.V., Sinelnik Y.A. // Lasers in Surgery and Medicine. 2001. Vol. 28. P. 435-444.
