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

L'odontoiatria si è sempre basata su una verità meccanica semplice: per riparare un dente, bisogna prima rimuovere l'antica otturazione o la corona danneggiata. Per oltre un secolo, questo è stato fatto con un trapano rotante. La punta del trapano, uno strumento duro e rotante, consuma il materiale attraverso il contatto diretto. Sebbene efficace, questo metodo è rudimentale. Crea vibrazioni, rumore e calore, e spesso lascia dietro di sé una scia disordinosa di detriti o minuscole crepe nella struttura dentale rimanente. La sfida è che il dentista deve rimuovere il materiale dannoso senza ferire il dente sano sottostante o "cuocere" il nervo all'interno. Se il nervo si scalda troppo, il dente può morire, richiedendo una devitalizzazione.

Recentemente, gli scienziati hanno guardato alla luce come a un'alternativa più precisa. Invece di una punta metallica rotante, utilizzano i laser. La maggior parte dei laser dentali odierni utilizza impulsi che durano un milionesimo di secondo. Sebbene veloci, questi impulsi sono comunque abbastanza lunghi da permettere al calore di diffonderssi nei tessuti circostanti, potenzialmente causando lo stesso tipo di danno di un trapano. Un nuovo tipo di laser, tuttavia, emette impulsi un milione di volte più brevi. Questi sono chiamati impulsi a femtosecondi. Poiché l'energia arriva così rapidamente, vaporizza il materiale prima che il calore abbia il tempo di spostarsi altrove. Ciò offre la promessa di tagliare con precisione chirurgica, lasciando intatti i tessuti circostanti. Ma mentre questi laser sono stati testati sullo smalto naturale del dente, nessuno sapeva esattamente come si sarebbero comportati su tutta la vasta gamma di materiali moderni utilizzati per otturazioni e corone.

Un team di ricercatori di università australiane si è proposto di mappare questo territorio ignoto. Volevano vedere se un laser a femtosecondi potesse rimuovere in modo sicuro ed efficiente i 13 diversi tipi di restauri dentali attualmente utilizzati nelle cliniche, che vanno dalle semplici otturazioni bianche alle complesse corone in ceramica. Il loro obiettivo non era solo vedere se il laser potesse tagliare, ma trovare le impostazioni esatte in cui funziona meglio senza bruciare il dente. Dovevano determinare quanta energia fosse necessaria per iniziare il taglio, quanto velocemente potesse rimuovere il materiale e quale aspetto avesse la superficie dopo l'operazione. Fondamentalamente, dovevano misurare il calore generato all'interno del dente per garantire che il nervo rimanesse al sicuro.

I ricercatori hanno raccolto campioni dei materiali dentali più comuni. Questi includevano otturazioni dirette, che vengono posizionate e indurite all'interno della bocca, e restauri indiretti, come corone e faccette, che vengono realizzati in laboratorio e poi incollati. Hanno preparato blocchi piatti di ciascun materiale e li hanno sottoposti al laser a femtosecondi. Il laser sparava impulsi sulla superficie e il team regolava attentamente l'energia di ogni impulso. Sono partiti con un'energia molto bassa e l'hanno aumentata gradualmente, osservando l'istante esatto in cui il materiale iniziava a scomparire. Hanno scoperto che la quantità di energia necessaria per iniziare il taglio variava enormemente a seconda del materiale. Alcune otturazioni bianche iniziavano a vaporizzarsi con una quantità di energia molto piccola, mentre le dure corone in ceramica richiedevano molta più potenza per iniziare anche solo a degradarsi.

Una volta individuato il punto di partenza, hanno misurato la velocità con cui il laser poteva rimuovere il materiale. Hanno scoperto che per i materiali da otturazione più morbidi, il laser diventava altamente efficiente a un livello di energia moderato, rimuovendo il materiale in modo rapido e fluido. Per le ceramiche più dure, il laser necessitava di molta più energia per raggiungere una velocità simile e, anche allora, rimuoveva il materiale più lentamente rispetto alle otturazioni. Il team ha anche esaminato da vicino le superfici lasciate. Sotto potenti microscopi, le superfici tagliate dal laser apparivano straordinariamente pulite. Non mostravano segni di fusione, crepe o detriti spalmati che tipicamente caratterizzano una superficie tagliata da un trapano tradizionale. Il laser lasciava un bordo preciso e ben definito, suggerendo che il materiale fosse stato rimosso in modo pulito piuttosto che strappato o schiacciato.

Per garantire che questa precisione non avvenisse a scapito della salute del dente, i ricercatori hanno condotto un test di sicurezza critico. Hanno preso dei denti umani estratti, hanno pulito il tessuto nervoso e hanno riempito lo spazio vuoto all'interno con acqua per simulare la polpa vivente. Hanno inserito un minuscolo sensore di temperatura all'interno di questa camera piena d'acqua. Successivamente, hanno attaccato un blocco di materiale dentale al dente e hanno sparato il laser. Hanno osservato l'aumento della temperatura all'interno del dente mentre il laser lavorava. Hanno scoperto che, con un sistema di raffreddamento specifico che utilizza un flusso d'aria, potevano mantenere l'aumento della temperatura ben al di sotto del limite pericoloso che danneggerebbe un nervo vivo. Hanno determinato che una potenza di 5 watt era il valore ideale: era abbastanza forte da rimuovere il materiale efficacemente ma abbastanza delicata da mantenere il dente al sicuro. A questo livello di potenza sicura, il laser poteva rimuovere una piccola otturazione in pochi secondi.

Il team non si è fermato al test dei singoli blocchi. Ha eseguito una dimostrazione completa, passo dopo passo, su un singolo dente estratto. Per prima cosa, hanno usato il laser per scavare una piccola e precisa cavità nel dente. Successivamente, hanno riempito quella cavità con un materiale da otturazione composito standard e l'hanno indurito. Infine, hanno usato lo stesso laser per rimuovere la nuova otturazione. Il laser ha rimosso con successo il materiale dell'otturazione, lasciando intatta la struttura dentale sottostante e la cavità pulita. Questa prova di concetto ha dimostrato che l'intero ciclo di preparazione di un dente, riempimento e successiva rimozione dell'otturazione poteva essere eseguito con lo stesso strumento laser.

Lo studio ha concluso che i laser a femtosecondi offrono un metodo praticabile e altamente preciso per rimuovere i restauri dentali, ma con un'importante avvertenza: le impostazioni devono essere adattate al materiale specifico che si sta rimuovendo. Una singola impostazione non funziona per tutto. Le otturazioni più morbide richiedono meno energia e tagliano più velocemente, mentre le ceramiche più dure necessitano di più potenza e tagliano più lentamente. Tuttavia, quando si utilizzano le impostazioni corrette, il laser produce un risultato più pulito di un trapano e mantiene il dente abbastanza fresco da restare sano. I ricercatori hanno osservato che, sebbene questa tecnologia non sia ancora pronta per l'uso di routine in ogni studio dentistico, fornisce una solida base per un futuro in cui i dentisti possano rimuovere il vecchio lavoro con la stessa precisione digitale utilizzata per progettarlo. Il percorso da seguire prevede il perfezionamento dei sistemi di raffreddamento e lo sviluppo di strumenti in grado di riconoscere automaticamente il materiale che stanno tagliando e regolare la potenza del laser in tempo reale. Fino ad allora, questo lavoro dimostra che il sogno di un modo per riparare i denti senza trapano e senza calore sta passando dalla teoria alla realtà.