Femtosecond laser ablation of dental restorative materials toward digitally enabled precision dentistry
本研究表明，飞秒激光消融通过建立定量加工窗口、证实其具有极佳的表面质量且热损伤极小，并验证了其在人体牙齿中进行窝洞制备与修复体去除的可行性，为替代传统的旋转器械移除牙科修复体提供了一种精确且数字化控制的选择。
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长期以来，牙科一直依赖于一个简单的机械真理：要修复牙齿，必须先移除旧的填充物或损坏的牙冠。一个多世纪以来，这都是通过旋转钻头完成的。钻头是一个坚硬的旋转工具，通过直接接触来磨碎材料。虽然这种方法很有效，但它显得很粗糙。它会产生振动、噪音和热量，并且经常会在剩余的牙体结构中留下混乱的碎屑堆积或微小的裂纹。挑战在于，牙医必须在不伤害下方健康牙齿或“煮熟”内部神经的情况下，移除坏掉的材料。如果神经过热，牙齿可能会死亡，从而需要进行根管治疗。
最近，科学家们转向研究利用光作为一种更精确的替代方案。现在的大多数牙科激光器使用持续时间为百万分之一秒的脉冲。虽然这些脉中很快，但它们仍然足够长，以至于热量会扩散到周围组织中，可能造成与钻头类似的损伤。然而，一种新型激光器发射的脉冲时间要短上一百万倍。这些被称为飞秒脉冲。由于能量到达得极快，它在热量有时间向任何地方传播之前就使材料汽化了。这带来了以手术级精度切割、且不触及周围组织的承诺。但尽管这些激光已经在天然牙釉质上进行了测试，但没有人确切知道它们在现代用于填充和覆盖牙齿的各种材料上会表现如何。
来自澳大利亚大学的一个研究小组致力于绘制这一未知领域。他们想看看飞秒激光是否可以安全且高效地移除目前临床上使用的 13 种不同类型的牙科修复体，范围从简单的白色填充物到复杂的陶瓷牙冠。他们的目标不仅是看激光是否能切割，还要找到其工作的最佳精确设置，且不会灼伤牙齿。他们需要确定开始切割需要多少能量，切割速度有多快，以及切割后的表面是什么样子的。至关重要的是，他们必须测量牙齿内部产生的热量，以确保神经的安全。
研究人员收集了最常见的牙科材料样本。其中包括直接填充物（在口腔内放置并硬化的材料）和间接修复体（如在实验室制作好后再粘接上去的牙冠和贴面）。他们制备了每种材料的扁平块，并对它们进行飞秒激光照射。激光向表面发射脉冲，团队仔细调节每个脉冲的能量。他们从极低的能量开始，逐渐增加能量，观察材料开始消失的确切时刻。他们发现，开始切割所需的能量量因材料而异，差异巨大。一些白色填充物在非常小的能量下就开始汽化，而坚硬的陶瓷牙冠则需要显著更高的功率才能开始分解。
一旦找到了起点，他们就测量了激光移除材料的速度。他们发现，对于较软的填充材料，激光在适中的能量水平下变得非常高效，移除过程快速且平滑。对于较硬的陶瓷，激光需要高得多的能量才能达到类似的速率，即便如此，其移除速度也比填充物慢。团队还仔细观察了留下的表面。在强力显微镜下，激光切割的表面看起来非常干净。它们没有显示出传统钻头切割时常见的熔化、开裂或碎屑堆积的迹象。激光留下了一个精确、轮廓清晰的边缘，表明材料是被干净地移除，而不是被撕裂或压碎的。
为了确保这种精确度不会以牺牲牙齿健康为代价，研究人员进行了一项关键的安全测试。他们取出了脱落的人类牙齿，清理掉神经组织，并在空腔内填充水以模拟活体牙髓。他们在充满水的腔室内放置了一个微型温度传感器。然后，他们将一块牙科材料连接到牙齿上，并向其发射激光。他们观察了激光工作时牙齿内部温度的变化。他们发现，通过使用气流进行特定的冷却系统，可以将温度上升控制在足以伤害活体神经的危险限度以下。他们确定 5 瓦特的功率是“甜点位”：它既足够强大以有效地移除材料，又足够温和以保持牙齿安全。在这个安全功率水平下，激光只需几秒钟即可移除一个小型的填充物。
团队并未止步于对单个材料块的测试。他们在单颗脱落的牙齿上进行了一次完整的、分步骤的演示。首先，他们使用激光在牙齿上雕刻出一个微小且精确的窝洞。接着，他们用标准的复合填充材料填满该窝洞并使其硬化。最后，他们使用同一种激光来移除这个新填充物。激光成功地剥离了填充材料，同时保持了底层牙体结构的完整以及窝洞的清洁。这一概念验证表明，整个从准备牙齿、填充到移除填充物的循环，都可以使用同一种激光工具完成。
研究得出结论，飞秒激光提供了一种可行且高度精确的移除牙科修复体的方法，但有一个重要的注意事项：设置必须根据所移除的具体材料进行定制。单一的设置并不适用于所有情况。较软的填充物需要较少的能量且切割更快，而较硬的陶瓷则需要更高的功率且切割较慢。然而，当使用正确的设置时，激光产生的效果比钻头更干净，并能保持牙齿凉爽以维持健康。研究人员指出，虽然这项技术尚未准备好在每个牙科诊所进行常规使用，但它为未来能够以设计时所用的数字精度来移除旧作提供了坚实的基础。未来的方向包括完善冷却系统，以及开发能够自动识别正在切割哪种材料并实时调整激光功率的工具。在此之前，这项工作证明了实现“无钻、无热”修复牙齿梦想的理论正逐步走向现实。
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