Modification of the mechanical and chemical properties of dental enamel using Er laser radiation with sub-ablative energy density
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Andrey V. Belikov
Abstract
Background and objective: Lasers can be successfully used for the modification of biological tissues. In dentistry, an increase in strength and the chemical properties of enamel with a laser in order to prevent tooth decay appears to be quite promising. We investigated microhardness and acid resistance of human tooth enamel in vitro before and after treatment by YLF:Er laser radiation with sub-ablative energy density. Scanning electron microscope (SEM) study of the enamel surface before and after laser treatment was carried out. A possible mechanism of the laser radiation effect on the microhardness and acid resistance of enamel is discussed.
Materials and methods: Enamel of the tooth crown was investigated in vitro. A pulsed diode-pumped YLF:Er laser (λ=2.84 μm) was used operating in free-running mode with an energy density on the enamel surface of about 2 J/cm2. A pattern was created on the enamel surface, every point of the pattern being formed by the impact of 100 laser pulses. Microhardness before (HVe) and after (HVte) laser treatment was measured by the Vickers hardness test. Microhardness of intact and laser-treated enamel were measured after mechanical cleaning with an abrasive toothpaste at room temperature to estimate the wear resistance (abrasion resistance). Gel Etchant (Kerr, Scafati, Italy) was applied to intact and laser-treated enamel. The exposure time during which intact (te) and treated (tte) enamel was destroyed was determined to estimate acid resistance. Scanning microscopy of enamel before and after laser treatment was carried out using a SEM. The original SEM image processing technique allowed us to estimate the porosity of the enamel surface before and after laser treatment.
Results: The measured microhardness of intact enamel of human tooth crown was HVe=310±10, and enamel microhardness after laser treatment reached HVte=375±10. However, even after 45 min mechanical cleaning with abrasive toothpaste at room temperature, laser-treated enamel microhardness was higher than intact enamel microhardness. Measured exposure time te was 3±1 s, and the exposure time tte was 180±15 s. The porosity of the intact enamel surface is almost three times greater than the porosity of laser-treated enamel.
Conclusion: In this paper it was found that sub-ablative YLF:Er laser radiation modifies the intact enamel in such a way that the enamel microhardness increases and can exceed the intact enamel microhardness by 20%. Laser-treated enamel can resist abrasive impact during a time equivalent to 3 years of standard dental hygiene. Laser-treated enamel can resist an external aggressive medium containing 37.5% phosphoric acid significantly longer than intact enamel. The observed improvement in the mechanical and chemical properties of the enamel can be explained by a significant reduction in enamel porosity after laser radiation impact.
Zusammenfassung
Hintergrund und Zielsetzung: Laser können erfolgreich für die Modifikation von biologischen Geweben eingesetzt werden. In der Zahnmedizin erscheint die Verbesserung der Festigkeit und der chemischen Eigenschaften des Zahnschmelzes mittels Laser vielversprechend, um Karies zu verhindern. Im vorliegenden Artikel wird die Mikrohärte und Säurebeständigkeit von menschlichem Zahnschmelz in vitro vor und nach der Behandlung durch YLF:Er-Laserstrahlung mit sub-ablativer Energiedichte untersucht. Es wurden Rasterelektronenmikroskop (REM)-Untersuchungen der Schmelzoberfläche vor und nach der Laserbehandlung durchgeführt. Ein möglicher Mechanismus der Laserstrahlung auf die Mikrohärte und Säurebeständigkeit des Zahnschmelzes wird diskutiert.
Materialien und Methoden: Es wurde Zahnschmelz der Zahnkrone in vitro untersucht. Ein gepulster, diodengepumpter YLF:Er-Laser (λ=2.84 μm) wurde im sogenannten „Free-running Mode“ mit einer Energiedichte von etwa 2 J/cm2 auf der Zahnschmelzoberfläche eingesetzt. Es wurde ein Muster auf der Schmelzoberfläche eingebracht, wobei jeder Punkt des Musters durch 100 Laserpulse erzeugt wurde. Die Mikrohärte wurde vor (HVe) und nach (HVte) der Laserbehandlung mittels Vickers Härtetest gemessen. Um die Verschleißfestigkeit (Abriebfestigkeit) zu bestimmen, wurde die Mikrohärte von intaktem und laserbehandeltem Schmelz nach der mechanischen Reinigung mit einer abrasiven Zahnpasta bei Raumtemperatur gemessen. Ein Ätzgel (Gel Etchant; Kerr, Scafati, Italien) wurde auf intakten und laserbehandelten Zahnschmelz aufgetragen. Die Einwirkzeit, während der intakter (te) und laserbehandelter (tte) Zahnschmelz zerstört wurde, wurde bestimmt, um die Säurebeständigkeit zu ermitteln. Um die Porosität der Schmelzoberfläche vor und nach der Laserbehandlung bewerten zu können, wurden Untersuchungen am REM durchgeführt.
Ergebnisse: Die gemessene Mikrohärte von Zahnschmelz intakter menschlicher Zahnkronen betrug HVe=310±10 und erreichte nach der Laserbehandlung einen Wert von HVte=375±10. Selbst nach 45 min mechanischer Reinigung mit einer abrasiven Zahnpasta bei Raumtemperatur war die Mikrohärte von laserbehandeltem Zahnschmelz höher als bei intaktem Zahnschmelz. Die gemessenen Einwirkzeiten von Ätzgel bis zur Zahnschmelzzerstörung betrugen te=3±1 s und tte=180±15 s. Die Porosität der intakten Schmelzoberfläche ist fast drei-mal größer als die Porosität des laser-behandelten Zahnschmelzes.
Fazit: Es konnte gezeigt werden, dass intakter Zahnschmelz mittels sub-ablativer YLF:Er-Laserstrahlung so modifiziert werden kann, dass die Mikrohärte gegenüber unbehandeltem Zahnschmelz um 20% ansteigt. Laserbehandelter Schmelz kann abrasiven Einflüssen, die einer Standard-Zahnhygiene über einen Zeitraum von 3 Jahren entsprechen, widerstehen. Laserbehandelter Schmelz kann außerdem einem extern einwirkenden aggressiven Medium mit 37,5% Phosphorsäure deutlich länger als intakter Schmelz widerstehen. Die beobachtete Verbesserung der mechanischen und chemischen Eigenschaften des Zahnschmelzes lässt sich durch eine deutliche Reduzierung der Schmelzporosität nach Laserbehandlung erklären.
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