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

De tandheelkunde vertrouwt al heel lang op een eenvoudige, mechanische waarheid: om een tand te repareren, moet je eerst de oude vulling of de beschadigde kroon verwijderen. Meer dan een eeuw lang is dit gedaan met een draaiende boor. De boor, een hard, roterend instrument, slijpt materiaal weg door direct contact. Hoewel effectief, is deze methode lomp. Het veroorzaakt trillingen, lawaai en hitte, en het laat vaak een rommelige veeg van puin of minuscule scheurtjes in de resterende tandstructuur achter. De uitdaging is dat een tandarts het slechte materiaal moet verwijderen zonder de gezonde tand eronder te beschadigen of de zenuw binnenin te "koken". Als de zenuw te warm wordt, kan de tand afsterven, wat een wortelkanaalbehandeling vereist.

Onlangs hebben wetenschappers naar licht gekeken als een nauwkeuriger alternatief. In plaats van een draaiende metalen boor gebruiken ze lasers. De meeste tandheelkundige lasers vandaag de laatst gebruiken pulsen die een miljoenste van een seconde duren. Hoewel snel, zijn deze pulsen nog steeds lang genoeg om de hitte te laten verspreiden naar het omliggende weefsel, wat potentieel dezelfde soort schade kan veroorzaken als een boor. Een nieuw type laser gebruikt echter pulsen die een miljoen keer korter zijn. Dit worden femtoseconde-pulsen genoemd. Omdat de energie zo snel arriveert, verdampen ze het materiaal voordat de hitte de tijd heeft om ergens anders heen te reizen. Dit biedt de belofte van snijden met chirurgische precisie, waarbij het omliggende weefsel onaangetast blijft. Maar terwijl deze lasers op natuurlijk tandglazuur zijn getest, wist niemand precies hoe ze zich zouden gedragen op de grote variëteit aan moderne materialen die worden gebruikt voor het opvullen en bekronen van tanden.

Een team onderzoekers aan Australische universiteiten zette zich af om dit onbekende gebied in kaart te brengen. Ze wilden zien of een femtoseconde-laser veilig en efficiënt de 13 verschillende soorten tandheelkundige restauraties kon verwijderen die momenteel in klinieken worden gebruikt, variërend van eenvoudige witte vullingen tot complexe keramische kronen. Hun doel was niet alleen om te zien of de laser kon snijden, maar ook om de exacte instellingen te vinden waarbij het het beste werkt zonder de tand te verbranden. Ze moesten bepalen hoeveel energie nodig was om het snijden te starten, hoe snel het materiaal verwijderd kon worden en hoe het oppervlak er daarna uitzag. Cruciaal was dat ze de hitte die in de tand werd gegenereerd moesten meten om te garanderen dat de zenuw veilig zou blijven.

De onderzoekers verzamelden monsters van de meest voorkomende tandheelkundige materialen. Deze omvatten directe vullingen, die in de mond worden geplaatst en uitgehard, en indirecte restauraties, zoals kronen en facings, die in een laboratorium worden gemaakt en daarna worden vastgeplakt. Ze bereidden platte blokken van elk materiaal voor en onderwierpen deze aan de femtoseconde-laser. De laser vuurde pulsen af op het oppervlak, en het team paste de energie van elke puls zorgvuldig aan. Ze begonnen met een zeer lage energie en verhoogden deze geleidelijk, terwijl ze nauwlettend in de gaten hielden op het exacte moment dat het materiaal begon te verdwijnen. Ze ontdekten dat de hoeveelheid energie die nodig was om het snijden te starten sterk varieerde per materiaal. Sommige witte vullingen begonnen te verdampen bij een zeer kleine hoeveelheid energie, terwijl de harde keramische kronen aanzienlijk meer vermogen vereisten om zelfs maar te beginnen met afbreken.

Zodra ze het startpunt hadden gevonden, maten ze hoe snel de laser het materiaal kon verwijderen. Ze ontdekten dat de laser voor de zachtere vulmaterialen zeer efficiënt werd bij een gemiddeld energieniveau, waarbij het materiaal snel en soepel werd verwijderd. Voor de hardere keramiek had de laser veel meer energie nodig om een vergelijkbare snelheid te bereiken, en zelfs dan verwijderde het materiaal langzamer dan de vullingen. Het team bekeek ook de achtergebleven oppervlakken nauwkeurig. Onder krachtige microscopen zagen de door de laser gesneden oppervlakken er opmerkelijk schoon uit. Er waren geen tekenen van smelten, barsten of opgeveegde resten die typisch zijn voor een oppervlak dat door een traditionele boor is gesneden. De laser liet een precieze, goed gedefinieerde rand achter, wat suggereert dat het materiaal schoon werd verwijderd in plaats van gescheurd of verbrijzeld.

Om te garanderen dat deze precisie niet ten koste ging van de gezondheid van de tand, voerden de onderzoekers een cruciale veiligheidstest uit. Ze namen geëxtraheerde menselijke tanden, maakten de zenuw weefsels schoon en vulden de holle ruimte binnenin met water om de levende pulpa na te bootsen. Ze plaatsten een kleine temperatuursensor in deze met water gevulde kamer. Vervolgens bevestigden ze een blok tandheelkundig materiaal aan de tand en vuurden de laser af op het materiaal. Ze volgden de temperatuurstijging in de tand terwijl de laser werkte. Ze ontdekten dat ze met een specifiek koelsysteem bestaande uit een luchtstroom de temperatuurstijging ruim onder de gevaarlijke grens konden houden die een levende zenuw zou schaden. Ze bepaalden dat een vermogen van 5 watt het ideale punt was: het was sterk genoeg om het materiaal effectief te verwijderen, maar zacht genoeg om de tand veilig te houden. Op dit veilige vermogensniveau kon de laser een kleine vulling in slechts enkele seconden verwijderen.

Het team stopte niet bij het testen van individuele blokken. Ze voerden een volledige, stapsgewijze demonstratie uit op een enkele geëxtraheerde tand. Eerst gebruikten ze de laser om een kleine, precieze caviteit in de tand te maken. Vervolgens vulden ze die caviteit met een standaard composiet vulmateriaal en hardden dit uit. Tot slot gebruikten ze dezelfde laser om de nieuwe vulling te verwijderen. De laser slaagde erin het vulmateriaal succesvol weg te strippen, waarbij de onderliggende tandstructuur intact bleef en de caviteit schoon was. Dit bewijs van concept toonde aan dat de hele cyclus van het voorbereiden van een tand, het vullen ervan, en vervolgens het verwijderen van die vulling, met hetzelfde laserinstrument kon worden uitgevoerd.

De studie concludeerde dat femtoseconde-lasers een levensvatbare, zeer precieze methode bieden voor het verwijderen van tandheelkundige restauraties, maar met een belangrijke kanttekening: de instellingen moeten worden afgestemd op het specifieke materiaal dat wordt verwijderd. Een enkele instelling werkt niet voor alles. De zachtere vullingen vereisen minder energie en snijden sneller, terwijl de hardere keramiek meer vermogen nodig hebben en langzamer snijden. Echter, wanneer de juiste instellingen worden gebruikt, produceert de laser een schoner resultaat dan een boor en houdt de laser de tand koel genoeg om gezond te blijven. De onderzoekers merkten op dat hoewel deze technologie nog niet klaar is voor routinematig gebruik in elke tandartspraktijk, het een solide fundament biedt voor een toekomst waarin tandartsen oude werkzaamheden kunnen verwijderen met dezelfde digitale precisie waarmee ze zijn ontworpen. De weg vooruit houdt in dat koelsystemen worden verfijnd en dat er gereedschappen worden ontwikkeld die automatisch kunnen herkennen welk materiaal ze snijden en de lasersterkte in realtime kunnen aanpassen. Tot die tijd bewijst dit werk dat de droom van een boorvrije, hittevrije manier om tanden te repareren van theorie naar realiteit beweegt.