Femtosecond laser ablation of dental restorative materials toward digitally enabled precision dentistry

Die Zahnmedizin verlässt sich seit langem auf eine einfache, mechanische Wahrheit: Um einen Zahn zu reparieren, muss man zuerst die alte Füllung oder die beschädigte Krone entfernen. Seit über einem Jahrhundert geschieht dies mit einem rotierenden Bohrer. Das Bohrerstück, ein hartes, rotierendes Werkzeug, trägt Material durch direkten Kontakt ab. Obwohl diese Methode effektiv ist, ist sie stumpfsinnig. Sie erzeugt Vibrationen, Lärm und Hitze und hinterlässt oft ein unordentliches Wischbild aus Trümmern oder winzige Risse in der verbleibenden Zahnstruktur. Die Herausforderung besteht darin, dass ein Zahnarzt das schlechte Material entfernen muss, ohne den gesunden Zahn darunter zu verletzen oder den Nerv im Inneren zu „kochen“. Wenn der Nerv zu heiß wird, kann der Zahn absterben, was eine Wurzelbehandlung erforderlich macht.

Kürzlich haben Wissenschaftler das Licht als präzisere Alternative ins Auge gefasst. Anstatt eines rotierenden Metallbits verwenden sie Laser. Die meisten heute in der Zahnmedizin verwendeten Dental-Laser nutzen Impulse, die nur eine Millionstelsekunde dauern. Obwohl diese schnell sind, sind die Impulse immer noch lang genug, um die Wärme in das umliegende Gewebe abstrahlen zu lassen, was potenziell die gleichen Schäden wie ein Bohrer verursachen kann. Ein neuerer Typ von Laser feuert jedoch Impulse ab, die eine Million Mal kürzer sind. Dies sind sogenannte Femtosekunden-Pulse. Da die Energie so schnell eintrifft, verdampft sie das Material, bevor die Hitze Zeit hat, irgendwo anders hinzuwandern. Dies verspricht, mit chirurgischer Präzision zu schneiden und das umliegende Gewebe unberührt zu lassen. Doch während diese Laser an natürlichem Zahnschmelz getestet wurden, wusste niemand genau, wie sie sich bei der großen Vielfalt moderner Materialien verhalten würden, die zum Füllen und Kronen von Zähnen verwendet werden.

Ein Team von Forschern an australischen Universitäten setzte sich zum Ziel, dieses unbekannte Terrain zu kartieren. Sie wollten sehen, ob ein Femtosekunden-Laser 13 verschiedene Arten von zahnmedizinischen Restaurationen, die derzeit in Kliniken verwendet werden – von einfachen weißen Füllungen bis hin zu komplexen Keramikkronen – sicher und effizient entfernen kann. Ihr Ziel war nicht nur zu sehen, ob der Laser schneiden kann, sondern auch, die exakten Einstellungen zu finden, bei denen er am besten funktioniert, ohne den Zahn zu verbrennen. Sie mussten bestimmen, wie viel Energie benötigt wurde, um den Schnitt zu starten, wie schnell das Material entfernt werden konnte und wie die Oberfläche danach aussah. Entscheidend war, dass sie die im Zahn erzeugte Hitze messen mussten, um sicherzustellen, dass der Nerv sicher bleibt.

Die Forscher sammelten Proben der gängigsten dentalen Materialien. Dazu gehörten direkte Füllungen, die im Mund platziert und ausgehärtet werden, sowie indirekte Restaurationen, wie Kronen und Veneers, die im Labor hergestellt und dann aufgeklebt werden. Sie bereiteten flache Blöcke aus jedem Material vor und unterzogen sie dem Femtosekunden-Laser. Der Laser feuerte Impulse auf die Oberfläche ab, und das Team passte die Energie jedes Impulses sorgfältig an. Sie begannen mit einer sehr niedrigen Energie und steigerten diese schrittweise, um genau zu beobachten, in welchem Moment das Material zu verschwinden begann. Sie fanden heraus, dass die Menge der benötigten Energie je nach Material stark variierte. Einige weiße Füllungen begannen bereits bei einer sehr geringen Energiemenge zu verdampfen, während die harten Keramikkronen deutlich mehr Leistung benötigten, um überhaupt abgebaut zu werden.

Sobald sie den Ausgangspunkt gefunden hatten, maßen sie, wie schnell das Material entfernt werden konnte. Sie entdeckten, dass der Laser bei den weicheren Füllmaterialien bei einem moderaten Energieniveau hocheffizient wurde und Material schnell und glatt entfernte. Für die härteren Keramiken benötigte der Laser viel höhere Energie, um eine ähnliche Geschwindigkeit zu erreichen, und selbst dann entfernte er Material langsamer als bei den Füllungen. Das Team untersuchte auch die zurückgelassenen Oberflächen sehr genau. Unter leistungsstarken Mikroskopen erschienen die lasergeschnittenen Oberflächen bemerkenswert sauber. Sie zeigten keine Anzeichen von Schmelzen, Rissen oder verschmierten Trümmern, die typischerweise eine durch einen herkömmlichen Bohrer bearbeitete Oberfläche kennzeichnen. Der Laser hinterließ eine präzise, gut definierte Kante, was darauf hindeutete, dass das Material sauber entfernt und nicht gerissen oder zerquetscht wurde.

Um sicherzustellen, dass diese Präzision nicht zu Lasten der Gesundheit des Zahnes ging, führten die Forscher einen kritischen Sicherheitstest durch. Sie nahmen extrahierte menschliche Zähne, reinigten das Nervengewebe und füllten den Hohlraum im Inneren mit Wasser, um das lebende Pulpa-Gewebe zu simulieren. Sie platzierten einen winzigen Temperatursensor in dieser wassergefüllten Kammer. Dann klebten sie ein Block aus Dentalmaterial an den Zahn und feuerten den Laser darauf ab. Sie beobachteten den Temperaturanstieg im Inneren des Zahnes, während der Laser arbeitete. Sie fanden heraus, dass sie mit einem speziellen Kühlsystem, das einen Luftstrom nutzt, den Temperaturanstieg weit unter der gefährlichen Grenze halten konnten, die ein lebendes Nervengewebe schädigen würde. Sie ermittelten, dass eine Leistungseinstellung von 5 Watt der ideale Mittelweg war: Sie war stark genug, um das Material effektiv zu entfernen, aber sanft genug, um den Zahn sicher zu halten. Bei dieser sicheren Leistungseinstellung konnte der Laser eine kleine Füllung in nur wenigen Sekunden entfernen.

Das Team beschränkte sich nicht nur auf das Testen einzelner Blöcke. Es führte eine vollständige, schrittweise Demonstration an einem einzelnen extrahierten Zahn durch. Zuerst nutzte es den Laser, um eine kleine, präzise Kavität in den Zahn zu fräsen. Als Nächstes füllte es diese Kavität mit einem Standard-Kompositfüllmaterial auf und härtete es aus. Schließlich verwendete es denselben Laser, um die neue Füllung zu entfernen. Der Laser entfernte das Füllmaterial erfolgreich und hinterließ die darunter liegende Zahnstruktur intakt sowie die Kavität sauber. Dieser Machbarkeitsnachweis zeigte, dass der gesamte Zyklus der Vorbereitung eines Zahnes, des Füllens desselben und des anschließenden Entfernens dieser Füllung mit demselben Laserwerkzeug durchgeführt werden konnte.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass Femtosekunden-Laser eine praktikable, hochpräzise Methode zur Entfernung von dentalen Restaurationen bieten, aber mit einer wichtigen Einschränkung: Die Einstellungen müssen auf das jeweilige Material zugeschnitten sein. Eine einzige Einstellung funktioniert nicht für alles. Die weicheren Füllungen benötigen weniger Energie und schneiden schneller, während die härteren Keramiken mehr Leistung benötigen und langsamer schneiden. Wenn jedoch die korrekten Einstellungen verwendet werden, erzeugt der Laser ein saubereres Ergebnis als ein Bohrer und hält den Zahn kühl genug, um gesund zu bleiben. Die Forscher merkten an, dass diese Technologie noch nicht bereit für den Routineeinsatz in jeder Zahnarztpraxis ist, aber ein solides Fundament für eine Zukunft bildet, in der Zahnärzte alte Arbeiten mit derselben digitalen Präzision entfernen können, mit der sie entworfen wurden. Der Weg nach vorn führt über die Verfeinerung der Kühlsysteme und die Entwicklung von Werkzeugen, die das Material, das sie gerade schneiden, automatisch erkennen und die Laserleistung in Echtzeit anpassen können. Bis dahin beweist diese Arbeit, dass der Traum von einer bohrerfreien, hitzefreien Art, Zähne zu reparieren, von der Theorie in die Realität übergeht.