Volume 1, Issue 3 - Topic Issue: Laser-bio interactions/Issue Editors: Santiago Camacho-López and Lothar Lilge

Ultrafast laser pulses (≤1 ps) are qualitatively different in the nature of their interaction with materials, including biotissues, as compared to nanosecond or longer pulses. This can confer pronounced advantages in outcomes for tissue therapy or laser surgery. At the same time, there are distinct limitations of their strong-field mode of interaction. As an alternative, it is shown here that ultrafast laser pulses delivered in a pulse-train burst mode of radiant exposure can access new degrees of control of the interaction process and of the heat left behind in tissues. Using a laser system that delivers 1 ps pulses in 20 μs pulse-train bursts at 133 MHz repetition rates, a range of heat and energy-transfer effects on hard and soft tissue have been studied. The ablation of tooth dentin and enamel under various conditions, to assess the ablation rate and characterize chemical changes that occur, are reported. This is compared to ablation in agar gels, useful live-cell-culture phantom of soft tissues, and presenting different mechanical strength. Study of aspects of the optical science of laser-tissue interaction promises to make qualitative improvements to medical treatments using lasers as cutting and ablative tools. Zusammenfassung Ultraschnelle Pulse (≤1 ps) unterscheiden sich von Nanosekunden- oder noch längeren Pulsen qualitativ in der Art ihrer Wechselwirkung mit Materialien, einschließlich Biogewebe. Dies kann in der Gewebetherapie oder in der Laserchirurgie von Vorteil sein. Andererseits gibt es klare Einschränkungen hinsichtlich ihrer Starkfeld-Effekte. Als Alternative wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass ultraschnelle Pulse, die im sogenannten Burst-Modus der Bestrahlung abgeben werden (d.h. in einer schnellen Folge stoßweise ausgesendeter Impulse oder Pulszüge) dazu beitragen können, den Wechselwirkungsprozess und die dabei erzeugte Wärme besser zu kontrollieren. Dazu wurden die Wärme- und Energietransfereffekte an Hart- und Weichgewebe untersucht, die mittels eines Lasersystems erzeugt wurden, mit dem 1 ps-Pulse in 20 μs-Impulsfolgen mit einer Wiederholrate von 133 MHz abgegeben wurden. Es wird über Ablationsversuche an Dentin und Zahnschmelz unter verschiedenen Bedingungen berichtet, die mit dem Ziel durchgeführt wurden, die Ablationsrate zu evaluieren und auftretende chemische Veränderungen zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden mit der Ablation in Agargels verglichen, die gut als Weichgewebephantome geeignet sind und eine unterschiedliche mechanische Festigkeit aufweisen. Insgesamt verspricht die Untersuchung der optischen Aspekte der Laser-Gewebe-Wechselwirkung eine qualitative Verbesserung von medizinischen Laseranwendungen.

The improvement of adhesion properties in orthodontics and conservative dentistry still remains an open issue. In this work, dentin and enamel surfaces have been totally conditioned by means of ultrashort pulsed laser microstructuring (wavelength: 795 nm, pulse duration: 120 fs, repetition rate: 1 kHz, maximum mean power: 1 W) in order to assess the procedure as an alternative to conventional techniques (acid etching and Er:YAG processing) for clinical practice. Molar dentin surfaces and premolar specimens were used for the study. Adhesive bond strengths were evaluated by means of microtensile bond strength (μTBS) and shear bond strength (SBS) tests of a total etch adhesive system to microstructured dentin and enamel, respectively. The results were related to scanning electron microscope (SEM) observations of the processed and failure surfaces. Bonding strengths were found to be comparable to other conditioning techniques and sometimes even higher. This makes femtosecond laser conditioning of dental tissues a suitable procedure for clinical practice of orthodontics and conservative dentistry. Zusammenfassung Die Verbesserung der Adhäsionseigenschaften stellt in der Kieferorthopädie und der konservierenden Zahnheilkunde ein immer noch offenes Thema dar. In der vorliegenden Studie wurde die Mikrostruktur von Dentin- und Zahnschmelzoberflächen mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Wellenlänge: 795 nm, Pulsdauer: 120 fs, Repetitionsrate: 1 kHz, maximale mittlere Leistung: 1 W) mit dem Ziel verändert, die Prozedur als Alternative zu konventionellen Techniken (Ätzen, Er:YAG-Laser) für die klinische Praxis zu evaluieren. Dentinproben von 15 frisch extrahierten humanen Molaren und 20 humane Prämolaren wurden in der Studie untersucht. Die Haftfestigkeit von Total-Etch-Adhäsiven auf den mikrostrukturierten Dentin- und Zahnschmelzoberflächen wurde mittels Mikrozugfestigkeits- und Scherfestigkeitstests geprüft. Die Ergebnisse wurden mit Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der bearbeiteten Oberflächen korreliert. Es zeigte sich, dass die beobachteten Haftfestigkeiten vergleichbar mit anderen konventionellen Verfahren sind und sogar darüber liegen. Dies lässt den Schluss zu, dass die Mikrostrukturierung dentaler Oberflächen mittels Femtosekundenlasern ein geeignetes Verfahren für die Kieferorthopädie und die konservierende Zahnheilkunde darstellt.

Background and objective: Although for some highly lipophillic drugs the principal barrier to permeate the human skin may reside in the essentially viable epidermal membrane, for most molecules, the stratum corneum (SC) is the rate-limiting barrier to drug delivery. Today, several techniques have been developed to enhance transdermal drug delivery (TDD) by increasing the effective permeability of the SC (e.g., iontophoresis, electroporation, micro-needle, ultrasound, radio frequency and laser radiation). The goal of this study is to investigate the extent to which thermocavitation may be used as a novel alternative method to selectively pierce the SC and thus enhance TDD. Thermocavitation for this purpose is generated by a continuous wave (CW), low power laser beam focused on a highly-absorbing solution topically applied on the skin surface. The absorbed light creates a superheated volume in a tightly localized region followed by explosive phase transition and the formation of vapor-gas bubbles, which expand and later collapse very rapidly emitting intense acoustic shockwaves that disrupt the surface underneath. Materials and methods: Thermocavitation bubbles were induced close to the surface of skin models (agar gels) and ex-vivo porcine skin samples using a 975 nm CW laser, focused on a thin (100–300 μm) topical layer of copper nitrate (CuNO 4 ). The damage induced by thermocavitation on the surface of agar tissue phantoms was analyzed by optical microscopy and the penetration depth of a fluorescent drug surrogate (FITC dextran, molecular weight=4 kDa), applied topically to the surface of ex-vivo porcine skin samples following thermocavitation. The corresponding histological structure was analyzed by fluorescent microscopy and hematoxylin and eosin (H&E) staining, respectively. Results: The damage observed on agar gel and porcine skin appears to be congruent with the relationship between laser power, focal point, cavitation frequency and extent of damage observed in previous studies. In particular, the greatest damage induced to the agar phantoms was produced with the lowest laser power (∼153 mW) and thinnest solution layer (∼100 μm) used. Similar laser and solution layer settings led to porcine skin damage of ∼80–100 μm in diameter, which was sufficiently large to break the SC and allow the penetration of 4 kDa, FITC-dextran to depths of ∼40–60 μm. Conclusion: This novel approach to achieve cavitation is attractive and seems promising because it can be generated with inexpensive, low power CW lasers, capable of selectively disrupting the SC and allowing the penetration of large, hydrophilic drugs topically applied to the skin. Zusammenfassung Hintergrund und Zielsetzung: Das Eindringen einiger lipophiler Wirkstoffe in die menschliche Haut wird durch die epidermale Membran begrenzt. Für die meisten Moleküle stellt aber das Stratum corneum (SC) die Barriere für die Wirkstoffverabreichung dar. Es sind verschiedene Techniken zur Wirkstoffverabreichung entwickelt worden, um die effektive Permeabilität des SC zu erhöhen (z.B. durch Iontophorese, Elektroporation, Mikronadeln, Ultraschall, Hochfrequenz, Laserstrahlung). Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, ob das SC mittels Thermokavitation gezielt perforiert werden kann, um so die Durchlässigkeit für die Wirkstoffverabreichung zu verbessern. Thermokavitation kann erreicht werden, indem der Strahl eines kontinuierlich abstrahlenden (continuous wave, cw) Low-Power-Lasers auf die Hautoberfläche fokussiert wird, auf die zuvor eine stark absorbierende Lösung topisch aufgetragen wurde. Das absorbierte Licht erzeugt in einem begrenzten Volumenbereich eine überhitzung gefolgt von einem explosiven Phasenübergang und der Formierung von Dampfgasblasen, die expandieren und schließlich extrem schnell kollabieren. Die dabei erzeugten akustischen Schockwellen zerreißen die Gewebeoberfläche. Material und Methoden: Thermokavitationsblasen wurden dicht an der Oberfläche von Hautphantomen (Agargel) und Ex-Vivo -Hautproben (Schwein) mittels eines 975 nm, cw Lasers erzeugt, indem der Laserstrahl auf dünne Schichten (100–300 μm) von Kupfernitrat (CuNO 4 ) fokussiert wurde. Die dadurch erzeugten oberflächlichen Schädigungen wurden bei den Agarphantomen mittels optischer Mikroskopie evaluiert. Von den Ex-Vivo -Hautproben wurden zusätzlich HE-Schnitte angefertigt und bewertet sowie die Eindringtiefe eines fluoreszierenden Wirkstoffsurrogates (FITC-Dextran, Molekulargewicht=4 kDa) mittels Fluoreszenzmikroskopie bestimmt. Ergebnisse: Die beobachteten Schädigungen an Agargel und Schweinehaut stimmen mit früheren Studien überein und spiegeln den Zusammenhang zwischen Laserleistung, Fokus, Kavitationsfrequenz und Schädigungsausmaß. Die größte Schädigung in Agargel wurde mit der geringsten Laserleistung (∼153 mW) und der dünnsten Schichtdicke (∼100 μm) erzeugt. Mit den gleichen Parametern konnten bei der Schweinehaut Schäden mit einem Durchmesser von ca. 80–100 μm erzeugt werden, was ausreichend war um das SC aufzubrechen, so dass das FITC-Dextran ca. 40–60 μm tief eindringen konnte. Schlussfolgerung: Das vorgestellte Verfahren zur Erzeugung von Thermokavitation erscheint vielversprechend, zumal preiswerte cw Low-Power-Laser eingesetzt werden können. Es ist geeignet, um das SC selektiv zu perforieren, so dass große, hydrophile Wirkstoffe, die zuvor topisch auf die Haut aufgetragen wurden, eindringen können.

This report presents a study of shock wave and cavitation bubble dynamics induced by nanosecond laser pulses in pressurized water. Three methods were used to obtain data from the irradiated sample: (1) pump-probe laser flash shadowgraphy, (2) pressure wave sensing by means of a fiber optic interferometer hydrophone, and (3) a novel technique based on the modulation of spatial transmittance by the cavitation bubble. The medium used in these experiments was distilled water in a chamber under different pressure conditions which included values found in human intraocular liquid. It could be shown that while external pressure does not affect either the shock wave propagation or the initial bubble growth rate, it does affect the first collapse time of the bubble and its maximum diameter. Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit untersucht die Dynamik von Schockwellen und Kavitationsblasen, die mittels Nanosekunden-Laserpulsen in unter Druck gesetztem Wasser erzeugt wurden. Dabei wurden drei unterschiedliche Methoden verwendet: (1) Laserflash-Verfahren, (2) Druckwellenmessung mittels faseroptischem Interferometer und (3) eine neuartige Technik basierend auf der Modulation der räumlichen Transmission durch die Kavitationsblase. Die Untersuchungen wurden an destilliertem Wasser unter unterschiedlichen Drücken – u.a. auch physiologische Werte, wie sie intraokular vorkommen – vorgenommen, die mittels einer speziellen Druckkammer erzeugt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass weder die Ausbreitung der Schockwelle noch das anfängliche Blasenwachstum durch den äußeren Druck beeinflusst wird, die Kollapszeit der Blase und ihr maximaler Durchmesser jedoch sehr wohl.

Objective: To review the results of laser tattoo removal in Thai students of Saraburi province. Material and methods: This is a retrospective review study of the students participating in our tattoo removal program at Saraburi province, Thailand. The laser used was a 1064 nm Q-switched Nd:YAG laser (spot size, 3 mm; pulse duration, 6 ns, fluencies, 1.25–12 J/cm 2 ). A maximum of 5 laser treatments per student was performed at 2-month intervals. The data collected included age and sex of the students and information regarding the tattoos (how long the tattoo had existed, person who performed the tattoo procedure, method and price of tattooing, number of tattoo figures, complications during and after tattoo procedure including cleaning methods of tattoo needle) and the laser procedure (laser parameters, pain level during laser removal assessed by pain score sheet, treatment results, complications, side effects). Correlations were analyzed between the person who did the tattoo and complications after laser tattoo removal procedure, the age of tattoo and results of laser treatment and complications. Results: The 78 students involved were aged between 10 years 4 months and 21 years. The mean time of tattoo existence was 2.3 ± 1.4 years. The majority of the students were tattooed by amateur practitioners and by hand. The costs of tattoo procedure ranged between 0 and 1800 Thai Bahts. A clinical clearance of 76–100% was achieved in 41.6% of the treated tattoos. Observed side effects were textural changes, hyperpigmentation, hypopigmentation, and scarring which occurred in 11.4%, 8.8%, 5.1%, and 5.9% of the cases, respectively. There was no statistically significant correlation between the person who did the tattoo, or the age of tattoo to the complications or side effects after laser tattoo removal. Conclusion: In a rural area of Thailand, more male Thai students chose to have a tattoo than female students. Nearly all of the students did the tattoo themselves or had it done by friends. The students did not initially know or had not realized the possible medical complications or social consequences of having a tattoo. From our study (students in the rural area and dark skin prototype), the lower applied laser fluencies caused a lower rate of scarring. More laser sessions may be required to achieve standard clinical clearance. Zusammenfassung Zielsetzung: Bewertung der Effektivität der Laser-Tattooentfernung bei thailändischen Studenten der Provinz Saraburi. Material und Methoden: Die vorliegende retrospektive Studie wertet die Ergebnisse der Laser-Tattooentfernung bei Studenten in der thailändischen Provinz Saraburi aus. Verwendet wurde ein 1064 nm gütegeschalteter Nd:YAG-Laser (Spotgröße: 3 mm, Pulsdauer: 6 ns, Bestrahlungsstärke: 1,25–12 J/cm 2 ). In Abhängigkeit vom Behandlungsergebnis wurden pro Student maximal 5 Laserapplikationen im Abstand von jeweils 2 Monaten durchgeführt. Es wurden sowohl allgemeine Daten (Alter, Geschlecht) als auch Informationen zu den Tattoos (Anzahl und Alter der Tattoos, Angaben zum Tätowierer, Tätowiermethode, Kosten der Tätowierung, Komplikationen während und nach der Tattoo-Prozedur einschließlich der angewendeten Nadeldesinfektion) und zur Laserprozedur (verwendete Laserparameter, Schmerzlevel, Behandlungsergebnis, auftretende Komplikationen und Nebeneffekte) erfasst. Korrelationen zwischen Art und Alter der Tätowierung und dem Behandlungsergebnis wurden statistisch ausgewertet. Ergebnisse: An der Studie nahmen insgesamt 78 Studenten im Alter zwischen 10 und 21 Jahren teil, deren Tattoos durchschnittlich 2,3 ± 1,4 Jahre alt waren. Die meisten Tattoos wurden von Hand gestochen und von Laien ausgeführt. Die Tätowierungskosten lagen zwischen 0 und 1800 Thai Bahts. Bei 41,6% der behandelten Tattoos konnte eine Clearingrate von 76–100% erreicht werden. Als unerwünschte Nebeneffekte traten auf: Texturänderungen der Haut (11,4%), Hyperpigmentierung (8,8%), Hypopigmentierung (5,1%), und Narbenbildung (5,9%). Art und Alter der Tätowierung hatten auf etwaige Komplikationen und Nebeneffekte der Laserbehandlung keinen statistisch signifikanten Einfluss. Schlussfolgerung: Im untersuchten Studienkollektiv hatten sich mehr männliche als weibliche Studenten tätowieren lassen. Fast alle Studenten hatten sich die Tätowierungen selbst gestochen oder sich von Freunden tätowieren lassen. Dabei spielten Überlegungen zu möglichen medizinischen Komplikationen oder späteren sozialen Konsequenzen keine Rolle. Wie sich zeigte, konnte durch die Applikation niedriger Energiedichten die Narbenbildung bei den behandelten Studenten mit zumeist dunklem Hauttyp sehr gering gehalten werden. Allerdings sind für die üblicherweise erreichten höheren Clearingraten mehr Lasersitzungen erforderlich.

Introduction: A number of different laser systems have been used for volume reduction of hyperplastic nasal turbinates. In case of endonasal application, fiber-controlled diode lasers are preferred due to reasons of cost and practicability. The aim of this clinical feasibility study was to show the coagulative and tissue reducing effects using a novel Tm: fiber laser system emitting at λ=1940 nm. Patients and methods: This clinical feasibility trial included 11 patients suffering from hyperplastic inferior nasal turbinates, who were therapy-refractory to conservative medical treatment. The obstructive nasal cavity was treated using the 1940 nm Tm: fiber laser at <5 W output power. The treatment was performed in non-contact mode under endoscopic control. Patients’ symptoms were documented both preoperatively and on days 1–3 and 28 postoperatively using a non-validated questionnaire. Additionally, an endoscopic examination was performed. Results: None of the patients showed infections, and no hemorrhages or other complications occurred intra- or postoperatively. The mean laser activation time during the surgical procedure was extremely short being 28.0±8.5 s. In conjunction with a low power setting (median, 3 W; mean±standard deviation, 3.3±1.1 W), a low energy of 90.2±37.8 J was applied. A significant reduction in nasal obstruction could be documented in all patients on day 28 postoperatively. Evaluation, as assessed preoperatively and 4 weeks postoperatively, showed significant subjective improvements. Conclusion: The treatment of hyperplastic inferior turbinates using a 1940 nm Tm: fiber laser provides sufficient tissue reduction in a short operation time using low total energy. Patients described a significant improvement in nasal breathing postoperatively. Zusammenfassung Einleitung: Zur Behandlung der symptomatischen Nasenmuschel-Hyperplasie wurden bislang unterschiedliche Laser klinisch eingesetzt. Bei endonasaler Applikation werden Lichtwellenleiter-assistierte Diodenlaser bevorzugt, sowohl wegen ihrer Kosteneffizienz als auch ihrer Praktikabilität. Im Rahmen der vorliegenden klinischen Machbarkeitsstudie wurden die koagulativen und ablativen Eigenschaften eines neuartigen 1940 nm Thulium-Faserlasers untersucht. Patienten und Methodik: In die Machbarkeitsstudie wurden 11 bislang konservativ behandelte, aber therapierefraktäre Patienten mit Atembeschwerden aufgrund einer Nasenmuschel-Hyperplasie einbezogen und mit dem Thulium-Faserlaser behandelt. Die Lichtwellenleiter-gestützte Behandlung erfolgte unter Sichtkontrolle im Non-Kontakt-Verfahren mit weniger als 5 W Laserleistung. Die operativen Parameter wurden dokumentiert. Sowohl präoperativ als auch an den Tagen 1–3 und 28 nach der Operation wurde das Befinden der Patienten anhand eines Fragebogens evaluiert und eine endoskopische Nachuntersuchungen durchgeführt. Ergebnisse: Sowohl während als auch nach der Behandlung zeigten die Patienten keine Anzeichen einer Infektion. Blutungen oder andere Komplikationen traten nicht auf. Die mittlere Expositionszeit betrug 28.0±8.5 s. In Verbindung mit der geringen Laserleistung (Median: 3 W, Mittelwert: 3.3±1.1 W) wurde so eine entsprechend geringe Lichtenergie von 90.2±37.8 J appliziert. Am Tag 28 post-operativ wurde eine signifikante Reduktion des Nasenmuschelvolumens festgestellt. Die subjektive Wahrnehmung der Nasenatmung war signifikant verbessert. Zusammenfassung: Die Anwendung des 1940 nm Thulium-Faserlasers zur minimal-invasiven Behandlung der Nasenmuschel-Hyperplasie resultierte in einer zufriedenstellenden Reduktion des Gewebevolumens bei kurzen Behandlungszeiten und geringer applizierter Gesamtenergie. Von Seiten der Patienten wurde eine signifikante Verbesserung der Nasenatmung berichtet.