基于X射线衍射的激光消融改变人牙本质表层晶体结构的研究 
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1 引言
人天然牙中的无机物主要由纳米级晶体组成[1]。晶体能产生X射线衍射现象。由衍射原理可知,物质的X射线衍射谱峰与其内部的晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数(如晶体结构类型、晶胞大小和晶胞参数等),因而不同的结晶物质有不同的衍射谱峰。对目标样本的X射线衍射谱图与已知晶体物质的X射线衍射谱图进行对比分析,可以完成目标样品物相和结构的定性、定量分析[2]。
铒激光依靠热机械效应去除牙体硬组织,与传统牙科手机切割相比有低噪、无震、无痛等优点,在牙科领域具有广阔的应用前景[3]。在喷水冷却情况下选用较短脉宽的铒激光辐照牙体组织时,辐照区域产生的热量很少会传播到邻近正常牙体组织中[4-5];然而,随着激光能量的增高,激光光能使得辐照区域温度升高,组织内压力增大,在提高硬组织消融效率的同时还会改变辐照区域组织的物理、化学性能;更高剂量下的激光辐照,还可能引起组织熔融,对牙体组织的物相及理化性能影响很大,从而影响牙体的后期修复[6]。掺铒铬钇铝石榴石激光(Er,Cr∶YSGG)目前被认为是铒激光家族热损伤最小的激光,它依靠局部微爆反应来消融牙本质,但其热机械过程对牙本质晶体结构造成的影响目前还缺乏研究。
本文采用6.18~11.1 J/cm2能量密度的Er,Cr∶YSGG激光对牙本质进行消融,然后采用X射线衍射仪(XRD)得到了激光照射前后牙本质晶体及无机物的衍射谱图,分析了衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以及衍射峰的形状[7];之后采用扫描电镜(SEM)观察了激光辐照前后牙本质表层晶体微结构的改变。
2 实验与方法
2.1 样本选择
选取10 d内拔除的无龋、无损伤、无脱矿及无发育不良的人第三磨牙共15颗(患者年龄在18~30岁,患者知情同意),清洁后储存于4 ℃的T溶液(含体积分数为0.5%的氯胺)中。
2.2 XRD样本的制备及实验分组
将牙齿固定,在水冷却下用低速金刚石切片刀垂直于牙体长轴切除冠1/3牙釉质及牙根。再根据XRD样本的制备要求,平行于牙体长轴切取1.0 mm厚的牙本质片,共切取3颗牙齿,每颗牙齿切取4片。每个样本均用水砂纸进行打磨,然后进行抛光、超声波清洗。将同一颗牙的4个样本随机分组,分别用0(空白对照),6.18,8.04,9.89,11.1 J/cm2的激光进行面扫描。
2. 3 SEM样本的制备及实验分组
用低速金刚石切片刀切除冠1/3牙釉质及牙根,再垂直于牙体长轴切取1 mm厚的牙本质片,每一颗牙齿获得1片牙本质片,共切取12颗牙齿。每个样本均用水砂纸进行打磨,然后进行普通抛光和高度抛光,最后进行超声波清洗。采用随机区组设计方法,每个牙本质片按顺序均匀取5个部位,根据随机数字表随机分配,然后分别采用0,6.18,8.04,9.89,11.1 J/cm2的激光对每个样本表面进行线扫描。
2.4 能量密度的测量
本研究所使用的激光参数见
表 1. Er,Cr∶YSGG激光参数
Table 1. Er,Cr∶YSGG laser parameters
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调节激光器的功率,采用激光能量计精确测得激光的输出能量,然后根据(1)式所示的公式计算出实际的激光能量密度。
式中:E为单位时间内激光的总能量;π为圆周率;R为激光的光斑半径。
2.5 激光辐照方法
使用波长为2.78 μm的Er,Cr∶YSGG激光进行辐照,激光通过光纤直径为750 μm的Tip进行传输,Tip到样品的距离为1 mm,脉宽为150 μs,脉冲频率为20 Hz。按照实验分组,用能量密度分别为0,6.18,8.04,9.89,11.1 J/cm2的激光对样本表面进行扫描,用步控电机光学台控制扫描速度为1 mm/s。激光束在气/水比例为60%/70%的喷雾条件下垂直照射于样品表面。
2.6 晶体结构分析
使用X'Pert PRO X射线衍射仪进行晶体结构分析,实验温度为20 ℃,采用CuKα辐射,管电压为40 kV,管电流为40 mA,扫描方式为连续扫描,扫描步长为0.02°,扫描速率为100 s/step,扫描2θ角范围为20°~70°。
采用Peakfit软件中的PearsonⅦ函数对XRD衍射数据进行分峰。对原始数据进行平滑去本底和峰谱拟合后,可对重叠峰进行分解,获得各个单一谱峰的参数,包括衍射峰位置、半峰全宽(FWHM)。采用Scherrer公式可计算得到晶粒的平均尺寸,即
式中:D为计算得到的晶粒的平均尺寸,nm;K为形状因子,K=0.89;λ为X射线的波长,nm;β为扣除仪器宽化的衍射峰的半峰全宽(弧度单位制);θ为布拉格衍射角。本文研究的是六方晶系羟基磷灰石(HA),故选取其具有代表性的互相垂直的(002)、(130)晶面进行分析。
激光照射前后牙本质的晶胞参数a、c可以根据六方晶系的晶胞参数计算公式求出[8]。该公式的表达式为
式中:d为衍射面的晶面间距;h、k、l为衍射面的晶面指数。
2.7 表面形貌分析
样本进行常规干燥后,按照分组分别标记后进行离子表面喷金处理,然后采用SEM(在15 kV加速电压下)观察激光照射前后牙本质表面的形态学改变,并拍片。
3 分析与结果
3.1 物相分析
XRD分析结果表明,牙本质中的主要无机物相是由具有择优取向的六方晶系HA(分子式为[Ca10(PO4)6(OH)2])构成的。
图 1. 牙本质XRD谱图(虚线)及HA(ICSD-56312)的标准谱图(实线)
Fig. 1. XRD pattern of dentin (dash line) and simulated XRD pattern of hydroxyapatite from ICSD-56312 (solid line)
不同能量密度(6.18,8.04,9.89,11.1 J/cm2)的激光照射前后牙本质表面的XRD谱图如
图 2. 不同能量密度的激光照射前后牙本质的XRD谱图(虚线:激光辐照前;实线:激光辐照后)
Fig. 2. XRD patterns of dentin before (dash line) and after (solid line) laser irradiation with different energy densities
3.2 平均粒径
本文采用Scherrer公式计算了激光照射前后牙本质HA晶体的平均粒径,计算结果如
基于对牙本质平均粒径的计算,本文采用Popa模型的Rietveld全谱拟合程序MAUD拟合得到了激光照射前后HA晶粒的形貌,两者差别不大。激光照射后HA晶粒的形貌,如
表 2. 激光照射前后牙本质HA纳米颗粒(002)和(130)轴向尺寸
Table 2. Average particle sizes of HA nanocrystals before and after Er, Cr∶YSGG laser irradiation at (002) and (130) positions
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图 3. Popa模型拟合得到的激光照射后牙本质中纳米HA颗粒的形貌
Fig. 3. Crystallographically refined HA crystallite shapes after Er,Cr∶YSGG laser irradiation using Popa model
3.3 晶胞参数
根据(3)式计算得到了激光照射前后牙本质中纳米HA的晶胞参数a、c,如
表 3. 激光照射前后牙本质中纳米HA的晶胞参数
Table 3. Lattice parameters of nano HA in dentin before and after Er,Cr∶YSGG laser irradiation
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3.4 激光照射前后牙本质的表面形貌
激光照射前,牙本质表面平整、清洁,可见开放的牙本质小管口,牙本质小管开口较平、规则、清晰,如
图 4. 激光辐照前后牙本质的SEM图像(N代表未经激光辐照的牙本质,L代表激光辐照后的牙本质)。(a) 激光照射前;(b) 6.18 J/cm2激光照射后;(c) 8.04 J/cm2激光照射后;(d) 9.89 J/cm2激光照射后;(e) 11.1 J/cm2激光照射后
Fig. 4. SEM images of dentin before and after laser irradiation (N: dentin before laser irradiation, L: dentin after laser irradiation). (a) Before laser irradiation; (b) after laser irradiation with energy density of 6.18 J/cm2; (c) after laser irradiation with energy density of 8.04 J/cm2; (d) after laser irradiation with energy density of 9.89 J/cm2; (e) after laser irradiation with energy density of 11.1 J/cm2
能量密度为6.18 ~11.1 J/cm2的激光辐照牙本质后,均能有效消融牙本质,如
4 讨论
4.1 激光照射后牙本质无机晶体的变化
激光辐照生物组织时,可能会发生组织气化、熔融、喷射和高温分解等现象,这些都会导致生物组织的去除,即“组织消融”[9]。Er,Cr∶YSGG激光的波长位于水和OH-的吸收峰附近,该激光能够被水、HA中的OH-和胶原纤维吸收。激光辐照牙体硬组织时,其表层以下组织中的水分吸收激光能量后蒸发,通过微爆效应去除周围组织,从而达到切割的目的。研究表明,当激光作用于牙体硬组织的温度超过400 ℃时,就会导致无机质分解,形成一种新的无机相[10]。对后期修复过程而言,无机晶体物相和微结构的改变以及结晶度的增减,都会引起牙本质表面离子分布的改变,从而影响黏接剂与牙本质之间的化学反应模式,改变黏结效果[11]。本文的XRD分析结果表明激光照射前后无机物相的峰形相似,说明激光照射前后牙本质的无机物相没有改变,都为HA。这一结果说明Er,Cr∶YSGG激光在6.18,8.04,9.89,11.1 J/cm2下的光热效应导致的牙本质表面温度的升高程度,不足以改变牙本质的物相,而峰强的轻微降低、变宽可能与激光照射导致牙本质表面粗糙度增加有关。根据平均粒径的计算结果可知,HA纳米颗粒的尺寸仅有轻微的变小,这表明激光辐照后牙本质并没有因光热效应而出现HA颗粒变大的现象,从而进一步说明激光辐照后牙本质的HA颗粒没有发生重结晶,保持了正常牙本质纳米HA颗粒的形态。
依据吸附理论,黏接作用是黏接剂与被黏接分子在界面上相互作用而产生的。在对牙齿进行黏接修复时,牙本质表面的有机、无机成分均发挥着独特的作用[12]。有学者对牙本质的黏接进行研究后认为,牙本质的HA颗粒可以通过化学吸附与树脂黏接剂产生牢固的黏结效果[11]。本研究采用能量密度为6.18~11.1 J/cm2的Er,Cr∶YSGG激光进行辐照处理,未改变牙本质表面HA晶体的结构。目前,Er,Cr∶YSGG激光辐照对牙本质HA晶体表面离子活性、化学吸附能力的改变,以及对后续黏接修复效果的影响还没有相关报道,需进行深入研究。
4.2 激光照射后牙本质表面形貌的改变
采用传统牙科手机切削牙本质时,机械摩擦产生的热量会使有机质变性,变性的有机质与切削后的牙本质碎屑、唾液和细菌等形成混合物,继而借助钻磨压力贴附于牙体表面形成玷污层[13]。Er,Cr∶YSGG激光波长与水、HA吸收峰的位置接近,入射能量能被水雾中的水分子、牙本质中的水分子和HA中的羟基共同吸收,在此过程中牙体组织的内压力增大,最终通过微爆效应去除牙体硬组织。由两种不同的切割牙体组织的机制可知,激光消融可以有效避免玷污层的形成。
通过SEM观察发现,激光照射后的牙本质表面粗糙,牙本质小管口开放,呈“袖口状”。形成上述形貌特征的原因可能有二:一是管间牙本质比管周牙本质中的水分、有机质含量高,所以管间牙本质更易吸收激光能量,消融率比管周牙本质更高[14];二是在管周牙本质和管间牙本质之间有一较清楚的交界面,此交界面被称为诺伊曼鞘(Neumann sheath)交界面,它可能也是形成“袖口状”凸起结构的原因。
激光照射后的牙本质表面粗糙度的增加使牙本质表面的黏接面积增大,有利于黏接树脂与牙本质表面形成机械嵌锁。另外,激光照射后,管周牙本质保留得相对完整,牙本质小管口无塌陷、增大现象,后续黏接修复形成的树脂突呈圆柱形,且较长和较密集,有利于抵抗充填体树脂收缩力的作用[15]。然而,牙本质小管口开放除了具有有利于黏接剂与牙本质界面更好地接触之外,还有不利的一面,如:可能会增大牙体修复术后牙髓的敏感反应。同时,有研究表明,当小管内的液体与黏接剂中的单体结合时,牙本质小管的开放会在一定程度上稀释或改变黏接单体的性质,从而降低黏接树脂在该部位的聚合程度,削弱牙本质的黏结强度[16]。
采用SEM观察发现,激光照射后的牙本质表面微区有轻微的熔融现象。推测原因有二:一是因为富含有机质的管间牙本质,在激光辐照瞬间的高热高压作用下,其微区有机质发生了变性、凝固等改变,并覆盖在局部表面;2)瞬时的光热效应导致微区的HA晶体形貌发生了轻微改变。这些都有可能对后续的黏接修复造成影响。
5 结论
采用能量密度分别为6.18,8.04,9.89,11.1 J/cm2的Er,Cr∶YSGG激光辐照人牙本质,不会明显改变无机HA颗粒的物相与晶胞参数;激光照射会造成牙本质表面粗糙度明显增大,且微区玻璃样发生改变,但没有造成牙本质表面的大面积熔融。本研究结果对牙科修复材料的黏接修复具有一定的参考价值。
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林琪, 林昱, 谢云德, 马忠雄. 基于X射线衍射的激光消融改变人牙本质表层晶体结构的研究[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(23): 231701. Qi Lin, Yu Lin, Yunde Xie, Zhongxiong Ma. Study on Crystal Structure Change of Laser-Ablated Human Dentin Surface Based on X-Ray Diffraction[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(23): 231701.
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