Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Строение, свойства и лазеры для обработки твердых тканей зуба человека 19
1.1 Строение и оптико-физические свойства твердых тканей зуба человека... 24
1.1.1 Строение твердых тканей зуба человека 24
1.1.2 Оптические свойства твердых тканей зуба человека 28
1.1.3 Механические свойства твердых тканей зуба человека 31
1.1.4 Теплофизические свойства твердых тканей зуба человека 32
1.2 Лазеры для обработки твердых тканей зуба человека 35
1.2.1 Лазеры для обработки твердых тканей зуба человека в субабляционном
1.2.2 Лазеры для обработки твердых тканей зуба человека в абляционном режиме 45
1.2.3 Лазеры для микрообработки твердых тканей зуба человека 55
Глава 2 Модели и методы описания взаимодействия лазерного излучения с твердыми тканями зуба человека при микрообработке излучением эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона 63
2.1 Механизмы взаимодействия лазерного излучения с твердыми тканями зуба человека 63
2.2 Модели лазерной абляции твердых тканей зуба человека 66
2.3 Сотовая трехмерная модель эмали зуба человека 72
2.4 Метод моделирования термооптической деформации эмали зуба человека при микрообработке излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона в субабляционном режиме 75
2.5 Метод моделирования удаления эмали зуба человека при микрообработке излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона в абляционном режиме 79
2.6 Метод моделирования адгезионной способности поверхности эмали зуба человека при микрообработке излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона в абляционном режиме.. 84
2.7 Метод моделирования динамики коэффициента поглощения лазерного излучения при микрообработке эмали излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона в абляционном режиме 91
2.7.1 Неполное разрушение эмалевой призмы (соты) и изменение коэффициента поглощения эмали 91
2.7.2 Накопление энергии и полное удаление эмалевой призмы (соты) 94
2.7.3 Общий закон поглощения энергии в сотовой трехмерной модели эмали. 96
2.7.4 Общий закон накопления энергии в сотовой трехмерной модели эмали.. 97
Глава 3 Экспериментальное и теоретическое исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона при микрообработке на эффективность удаления твердых тканей зуба человека 100
3.1 Пространственные, временные и энергетические параметры излучения используемых в экспериментах эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона 100
3.1.1 Параметры излучения YAG: Er лазера (=2.94мкм, M2=29±2) 100
3.1.2 Параметры излучения YAG: Er лазера (=2.94мкм, M2=1.5±0.1) 104
3.1.3 Параметры излучения YLF: Er лазера (=2.662.84 мкм, M2=1.5±0.1) 107
3.2 Исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения YAG: Er и YLF: Er лазеров при микрообработке на эффективность удаления твердых тканей зуба 116
3.2.1 Экспериментальное сравнение эффективности удаления дентина зуба человека, при микрообработке излучением YAG: Er лазера с M2=1.5±0.1 и 29±2 116
3.2.2 Экспериментальное сравнение эффективности удаления твердых тканей зуба человека, при микрообработке излучением YAG: Er и YLF: Er лазеров c M2=1.5±0.1 121 3.2.3 Экспериментальное и теоретическое исследование эффективности удаления эмали зуба человека, при микрообработке излучением YAG Er лазера с M2=1.5±0.1 128
3.2.3.1 Экспериментальное исследование эффективности удаления твердых
тканей зуба человека, при микрообработке излучением YAG: Er лазера с M2=1.5±0.1 128
3.2.3.2 Теоретическое исследование эффективности удаления эмали зуба человека, при микрообработке излучением YAG: Er лазера c M2=1.5±0.1 133
Глава 4 Экспериментальное и теоретическое исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона при микрообработке на механические и химические свойства твердых тканей зуба
4.1 Исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения YLF: Er лазера на пороги модификации, удаления и карбонизации при микрообработке твердых тканей зуба человека 140
4.2 Исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения YAG: Er лазера при микрообработке на адгезионную способность твердых тканей зуба человека к пломбировочным материалам 144
4.2.1 Экспериментальное и теоретическое исследование изменения прочности соединения современных светополимеризующихся пломбировочных материалов с твердыми тканями зуба человека, при микрообработке излучением YAG: Er лазера (=2.94 мкм, M2=1.5±0.1) 145
4.2.2 Экспериментальное исследование диффузии водного раствора метиленового голубого в область контакта между современными светополимеризующимися пломбировочными материалами и твердыми тканями зуба человека, до и после микрообработки излучением YAG: Er лазера (=2.94 мкм, M2=1.5±0.1) 151
5 4.3 Исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения YLF: Er лазера при микрообработке на микротвердость и кислотную резистентность твердых тканей зуба человека.. 162
4.3.1 Экспериментальное и теоретическое исследование изменения микротвердости твердых тканей зуба человека, при микрообработке излучением YLF: Er лазера (=2.84 мкм, M2=1.5±0.1) 162
4.3.2 Экспериментальное исследование стойкости твердых тканей зуба человека к воздействию абразивных паст, до и после микрообработки излучением YLF: Er лазера (=2.84 мкм, M2=1.5±0.1) 172
4.3.3 Экспериментальное и теоретическое исследование изменения кислотной резистентности твердых тканей зуба человека, при микрообработке излучением YLF: Er лазера (=2.84 мкм, M2=1.5±0.1) 177
Заключение 189
Список литературы
- Оптические свойства твердых тканей зуба человека
- Метод моделирования термооптической деформации эмали зуба человека при микрообработке излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона в субабляционном режиме
- Параметры излучения YAG: Er лазера (=2.94мкм, M2=29±2)
- Исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения YAG: Er лазера при микрообработке на адгезионную способность твердых тканей зуба человека к пломбировочным материалам
Введение к работе
Актуальность темы
Лазеры широко используются в современной физике, технике и медицине. Для обработки твердых тканей зуба в стоматологии достаточно успешно используются эрбиевые лазеры среднего инфракрасного (ИК) диапазона с длиной волны генерации 2.782.94 мкм. Излучение этих лазеров эффективно поглощается твердыми тканями зуба, что приводит к их абляции. Современные стоматологические эрбиевые лазеры среднего ИК диапазона, являются много-модовыми, имеют коэффициент распространения пучка М2>2 и создают на поверхности обрабатываемой ткани пучки с диаметром 0.31.0 мм, который соответствует диаметру стандартных твердосплавных боров. В этой связи они не используют уникальную способность лазерного излучения к фокусировке в пятна с размерами, сопоставимыми с длиной волны. В тоже время, создание с помощью лазера в твердых тканях зуба микродефектов с размерами меньшими, чем 0.3 мм, способно существенным образом расширить возможности современной "минимально инвазивной стоматологии" (Minimal Invasive Dentistry) за счет увеличения точности и селективности воздействия при лазерной микрообработке. Также за счет новых возможностей, открывающихся в результате способности лазерной микрообработки создавать поверхности с заранее известным профилем, можно улучшить адгезию современных реставрационных материалов к твердым тканям, повысив тем самым качество лечения.
Известно, что обработка поверхности эмали или дентина зуба человека излучением современных эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона с плотностью энергии выше порога удаления биоткани (абляционный режим) может привести к увеличению адгезионной способности твердых тканей зуба к пломбировочным материалам по сравнению со стандартными методами. Однако, до сих пор не определены оптимальные для этой процедуры пространственно-энергетические и временные параметры лазерного излучения, а результаты, описанные в литературе, противоречат друг другу.
Известно, что воздействие на эмаль или дентин зуба человека излучения современных эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона с плотностью энергии ниже порога удаления биоткани (субабляционный режим), приводит к изменению микроструктуры твердых тканей зуба и, как следствие, к повышению микротвердости и кислотной резистентности их поверхности, что важно при профилактике кариеса. Однако, до сих пор в литературе отсутствует описание комплексных исследований, позволяющих достоверно определить влияние пространственно-энергетических и временных параметров лазерного излучения на микротвердость и кислотную резистентность твердых тканей зуба человека.
Таким образом, на сегодняшний момент не определены пространственно-энергетические и временные параметры излучения эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона, необходимые для микрообработки эмали и дентина зуба человека, с целью повышения их адгезионной способности, микротвердости и кислотной резистентности. Не обсуждается влияние коэффициента распространения пучка М2. Не существует адекватных моделей взаимодействия лазерного
излучения с твердыми тканями зуба позволяющих численно определить необходимые для их микрообработки параметры лазерного излучения. В этой связи, теоретическое и экспериментальное определение диапазона пространственно-энергетических и временных параметров излучения эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона, необходимых для микрообработки поверхности твердых тканей зуба человека, является чрезвычайно актуальным, т.к. способствует разработке новых эффективных методов лазерного вмешательства, стимулируя тем самым разработку новых медицинских лазерных приборов и технологий.
Цель и задачи диссертационной работы
Цель диссертационной работы - определение диапазона пространственно-энергетических и временных параметров излучения эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона, необходимых для микрообработки поверхности твердых тканей зуба человека, с целью увеличения их микротвердости, кислотной резистентности и адгезионной способности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать трехмерную математическую модель эмали зуба человека, позволяющую численно определить параметры лазерного излучения, необходимые для изменения ее микротвердости, кислотной резистентности и адгезионной способности.
-
Определить взаимосвязь эффективности лазерного удаления твердых тканей зуба человека с плотностью энергии, длиной волны и длительностью импульса эрбиевого лазера среднего ИК диапазона с коэффициентом распространения пучка
-
Исследовать эффекты, возникающие в результате воздействия на эмаль и дентин зуба человека излучения эрбиевого лазера среднего ИК диапазона с коэффициентом распространения пучка M2<2 и с энергией ниже порога лазерного удаления этих биотканей.
-
Определить прочность соединения между твердыми тканями зуба человека и современными композитными пломбировочными материалами до и после создания на поверхности этих биотканей регулярных структур излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона с коэффициентом распространения пучка M2<2 и с энергией выше порога лазерного удаления этих биотканей.
-
Изучить микротвердость и кислотную резистентность твердых тканей зуба человека до и после создания на поверхности этих биотканей регулярных структур излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона с коэффициентом распространения пучка M2<2 и с энергией ниже порога лазерного удаления этих биотканей.
Научная новизна работы, определяется тем, что в ней впервые:
1. Разработана сотовая трехмерная модель эмали зуба человека,
учитывающая особенности строения эмали, распределение поглощающих
центров в объеме эмали, динамику коэффициента поглощения и форму
пространственного распределения энергии лазерного излучения при
моделировании взаимодействия излучения эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона с эмалью зуба.
-
Разработан новый метод оценки пористости поверхности эмали зуба, основанный на компьютерной обработке СЭМ изображений ее поверхности до и после лазерного воздействия, и установлено, что при воздействии излучения YLF: Ег лазера с длиной волны 2.84 мкм, коэффициентом распространения пучка М2<2, длительностью импульса 250-350 мкс и плотностью энергии ниже порога лазерного удаления эмали, пористость эмали уменьшается в 3-4 раза по сравнению с интактной эмалью.
-
Предложен оригинальный метод определения скорости удаления эмали под действием кислоты, основанный на анализе геометрических параметров отпечатка индентора микротвердомера в эмали в процессе воздействия кислоты на интактную и обработанную лазерным излучением поверхность эмали, и установлено что при воздействии излучения YLF: Ег лазера с длиной волны 2.84 мкм, коэффициентом распространения пучка М2<2, длительностью импульса 250-350 мкс и плотностью энергии ниже порога лазерного удаления эмали, скорость удаления эмали под воздействием 37.5% ортофосфорной кислоты уменьшается в 2-3 раза по сравнению с интактной эмалью.
-
Исследована эффективность удаления твердых тканей зуба импульсами свободной генерации YLF: Ег лазера с диодной накачкой и коэффициентом распространения пучка М2<2, генерирующего на длинах волн 2.66 мкм или 2.84 мкм и YAG: Ег лазера с ламповой накачкой и М2<2, генерирующего на длине волны 2.94 мкм. Определено, что эффективность удаления твердых тканей зуба человека излучением YAG: Ег (Х=2.94 мкм) лазера, с плотностью энергии 1(Н20 Дж/см2 и длительностью импульса 100-200 мкс, в 1.5-2.2 раза превышает эффективность удаления твердых тканей зуба человека излучением YLF: Er (Х=2.66 мкм или 2.84 мкм) лазера при тех же пространственно-энергетических характеристиках.
-
Исследована взаимосвязь эффективности удаления твердых тканей зуба с плотностью энергии излучения YAG: Ег лазера, генерирующего на длине волны 2.94 мкм и имеющего коэффициент распространения пучка М2<2. Установлено, что при длительности лазерного импульса 100-200 мкс, в диапазоне плотностей энергии 10-260 Дж/см2, эффективность удаления эмали излучением этого лазера изменяется от 240±20 мм3/кДж до 87±15 мм3/кДж, а дентина - от 265±20 мм3/кДж до 120±5 мм3/кДж.
-
Исследовано влияние плотности энергии и длительности импульса излучения YLF: Er лазера с коэффициентом распространения пучка М2<2, генерирующего на длине волны 2.84 мкм на микротвердость эмали, дентина и цемента зуба человека. Установлено, что в результате воздействия излучения YLF: Ег лазера с плотностью энергии 0.2^2.2 Дж/см2, длительностью лазерного импульса 250-1000 мкс и М2<2 на твердые ткани зуба их микротвердость увеличивается на 10-45%.
Положения, выносимые на защиту:
-
Сотовая трехмерная модель эмали зуба человека позволяет адекватно эксперименту рассчитать эффективность лазерного удаления эмали, форму лазерного микрократера и величину изменения адгезионной способности поверхности эмали при ее микрообработке излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона с плотностью энергии не ниже порога лазерного удаления эмали.
-
Воздействие на твердые ткани зуба человека одиночного импульса излучения YAG: Ег (=2.94 мкм) лазера, работающего в режиме свободной генерации, с длительностью импульса 100200 мкс, коэффициентом распространения пучка М2<2, диаметром пучка 100120 мкм и плотностью энергии 8260 Дж/см2, приводит к формированию в эмали или дентине зуба одиночного микрократера с диаметром 80300 мкм и глубиной 40170 мкм, при этом эффективность удаления твердых тканей превышает эффективность их удаления излучением YLF: Ег лазера (=2.66 мкм или 2.84 мкм) с близким коэффициентом М2.
-
Создание на поверхности эмали излучением YAG: Ег лазера с длиной волны 2.94 мкм, коэффициентом распространения пучка М2<2 и плотностью энергии не ниже порога лазерного удаления эмали регулярных структур, состоящих из микрократеров с диаметром 80110 мкм, глубиной 4050 мкм и расстоянием между центрами микрократеров 50100 мкм, приводит к повышению прочности соединения высокотекучих светоотверждаемых композитных пломбировочных материалов с твердыми тканями зуба в 1.53.0 раза и снижению микроподтекания, по сравнению с традиционными методами обработки поверхности.
-
Создание на поверхности твердых тканей зуба излучением YLF: Ег лазера с длиной волны 2.84 мкм, коэффициентом распространения пучка М2<2 и плотностью энергии ниже порога лазерного удаления эмали регулярных структур, состоящих из микрофрагментов модифицированной ткани с диаметром 80110 мкм и расстоянием между центрами микрофрагментов 80110 мкм, приводит к повышению кислотной резистентности твердых тканей зуба человека и повышению микротвердости поверхности эмали на 1525%, дентина на 1035%.
Практическая значимость работы заключается в том, что: Разработан новый метод лазерной микрообработки поверхности твердых тканей зуба человека, заключающийся в создании с помощью эрбиевого лазера среднего ИК диапазона с коэффициентом распространения пучка М2<2 на поверхности твердой биоткани регулярных микродефектов диаметром 80-110 мкм и глубиной 40-50 мкм, расположенных друг от друга на фиксированном расстоянии, кратном диаметру микродефектов. Данный метод может быть использован при подготовке поверхности твердых тканей зуба перед пломбированием, с целью повышения прочности соединения поверхности биотканей и пломбировочных материалов, а также, для профилактики кариеса за счет индуцированного в результате лазерной
микрообработки повышения микротвердости и кислотной резистентности эмали.
Реализация результатов диссертационной работы
Результаты работы внедрены на предприятиях ЗАО "УНП Лазерный центр ИТМО" (Россия) и Dental Photonics Inc. (США).
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 200500 "Лазерная техника и лазерные технологии".
Степень достоверности и методы исследования
Достоверность результатов работы и выводов обеспечивается за счет использования современных методов моделирования, методов сбора информации и статистических методов анализа полученных экспериментальных данных, использованием современных методов подготовки биологических образцов и общепринятых методов измерения пространственно-энергетических и временных характеристик лазерного излучения, оптических методов анализа, сканирующей электронной микроскопии, методов измерения прочности соединения материалов и микротвердости материалов.
Апробация работы и публикации
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophotonics (Саратов, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 г.), Научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014), Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010, 2011, 2013), Четвертая всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (Саров, 2010), International Conference on Laser Applications in Life Sciences (Оулу (Финляндия), 2010), International Conference on Laser Optics (Санкт-Петербург, 2010, 2011, 2012), International Conference: Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (Санкт-Петербург - Пушкин, 2010, 2013), Фундаментальные проблемы оптики (Санкт-Петербург, 2010), International Symposium Topical Problems of Biophotonics (Санкт-Петербург -Нижний Новгород, 2011, 2013, 2014), Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium (Санкт-Петербург, 2011), SPIE Photonics West (Сан Франциско (США), 2012, 2013, 2014), International Conference on Advanced Laser Technologies (Тун (Швейцария), 2012).
Доклад соискателя "Влияние фокусировки на эффективность удаления твердых тканей зуба излучением одномодового YAG: Er лазера" был отмечен дипломом "за лучший доклад аспиранта" Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (20 - 23 апреля 2010 г.).
Результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах, из них 12 в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и англоязычных изданиях, включенных в международные базы цитирования, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты дис-
сертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (список ВАК).
Личный вклад автора
Общая постановка цели и задач диссертационной работы проведены совместно с научным руководителем данной работы. Лично соискателем выполнено математическое моделирование, проведены эксперименты, обработка и анализ полученных в экспериментах результатов. Автор выражает благодарность сотруднику кафедры лазерной техники и биомедицинской оптики НИУ ИТМО к.ф.-м.н., доценту А.В. Скрипнику за помощь в подготовке и обсуждении результатов исследований.
Структура и объем работы
Оптические свойства твердых тканей зуба человека
Лазерное излучение может быть достойной альтернативой традиционным методам и средствам профилактики и лечения заболеваний твердых тканей зуба. Самым распространенным заболеванием твердых тканей зуба человека является кариес [1]. Кариес (лат. caries - гниение), постепенное разрушение ткани кости или зуба вследствие дистрофического или инфекционного процесса в кости. Кариес зубов - сложный, медленно развивающийся и медленно текущий патологический процесс в твердых тканях зуба, характеризующийся в начале своего развития очаговой деминерализацией неорганической части эмали, разрушением ее органического матрикса и заканчивающийся, как правило, деструкцией твердых тканей зуба с образованием дефекта (полости) в эмали и дентине, а при отсутствии лечения - воспалительными осложнениями со стороны пульпы и периодонта. Существует несколько теорий, объясняющих механизм возникновения кариеса [1, 2]. Общепризнанной является теория, описывающая механизм возникновения кариеса как прогрессирующую деминерализацию твердых тканей зубов под действием органических кислот, образование которых связано с деятельностью микроорганизмов (Химико-паразитарная теория кариеса (Миллера)). Согласно данной теории, кариозное разрушение происходит из-за деминерализации твердых тканей зуба. Образующаяся в полости молочная кислота под действием микроорганизмов в результате молочнокислого брожения углеводистых остатков пищи растворяет неорганические вещества эмали и дентине.
Для лечения кариеса применяются как традиционные, так и лазерные методы [3, 4]. Основными механизмами растворения гидроксиапатита эмали являются: связывание ионов водорода с карбонатом или фосфатом при диссоциации кислот в воде (молочной, лимонной, ортофосфорной) и хелатирование - связывание кальция анионами (молочная, лимонная кислоты, EDTA) [5].Традиционный метод лечения кариеса - иссечение кариозной ткани зуба при помощи бора и установка пломбы. При иссечении тканей долгие годы использовался метод "профилактического расширения" (предложен Black G.V.), который предусматривает широкое иссечение кариесвосприимчивых участков до "иммунных" зон. Этот метод обеспечивает долговечность пломб, низкую частоту рецидивного кариеса и простоту выбора стандартного подхода к препарированию полости, среди его недостатков можно отметить: большой объем иссекаемых здоровых тканей, уменьшение прочности коронки, операция требует большого количества времени. Другой метод - метод "биологической целесообразности" (предложен И.Г. Лукомским), который предусматривает более щадящее отношение к неповрежденным тканям [4]. Однако в последние годы представляет интерес концепция "Минимально инвазивной терапии" (Minimal Intervention Treatment), Микростоматологии (Microdentistry) или "Минимально инвазивной стоматологии" (Minimal Invasive Dentistry) [4, 6-10]. Данная концепция заключается в том, что необходимы: ранняя оценка и выявление факторов риска возникновения кариеса, профилактика кариеса, минимально инвазивное иссечение твердых тканей, пломбирование биоактивными и высокотекучими материалами. Как будет показано далее, на некоторых этапах такого лечения возможно применение лазерного излучения, которое позволяет проводить обработку с высокой точностью - микрообработку.
Так, ранняя диагностика кариеса может осуществляться при помощи оптических методов: лазерный кариес детектор ("DIAGNOdent", KaVo) (принцип действия основан на флуоресценции кариозной ткани) [11], интраоральная камера (система "Spectra", Air Techniques) (флуоресценция кариозной и здоровой ткани) [12], QFL-система (Quantitative light-induced fluorescence) на основе ксеноновой лампы (флуоресценция здоровой ткани) [13], системы на основе светодиодов ("Midwest Caries ID", Densply) (разница в отражательной способности здоровых и кариозных твердых тканей зуба) [14], оптическая когерентная томография [6]. Эти методы позволяют обнаружить кариозные поражения тканей, которые невозможно обнаружить при помощи химических кариесдетекторов или ручных инструментов. Для профилактики кариеса применяются зубные пасты, гели и лаки, содержащие фтор, которые препятствуют деминерализации и способствуют реминерализаии эмали или деминерализованной поверхности ("мелового пятна"), т.е. повышают кислотную резистентность тканей [6, 15]. Для решения данной задачи может быть использовано лазерное излучение с плотностью энергии ниже порога абляции (субабляционный режим), действие которого приводит к изменению микроструктуры твердых тканей зуба и, как следствие, к изменению механических и химических свойств их поверхности [15, 16]. Влияние пространственных, энергетических и временных параметров лазерного излучения на микротвердость и кислотную резистентность поверхности твердых тканей зуба, обработанных в субабляционном режиме, подробно описано в п. 1.2.1 настоящей диссертационной работы.
Для минимально инвазивной обработки твердых тканей зуба существуют следующие методы: водно-воздушная абразия (для подготовки поверхности полости к пломбированию), воздушная абразия (для формирования полостей и подготовки к пломбированию), химическая абразия (химическое разрушение и последующее удаление кариозной ткани), ультразвуковая абразия (для подготовки поверхности полости к пломбированию), лазерная обработка (для формирования полостей и подготовки к пломбированию), формирование полостей и обработка их поверхности при помощи ручных инструментов и боров (самый распространенный метод) [4, 7, 17]. Диаметр насадок для абразивных инструментов составляет порядка 0.5Ю.6 мкм, скорость удаления зубной ткани 0.74.2 г/мин [7]. Среди серии боров для минимально инвазивной обработки твердых тканей зуба (для вскрытия фиссур) наименьший размер имеет карбидный бор (Micro STF, SSWhite): длина рабочей части 1.5 мм, диаметр узкой части конуса - 0.3 мкм, диаметр широкой части конуса - 0.7 мкм, что в два раза меньше размера шаровидного бора, который ранее использовался для аналогичных целей [17].
Метод моделирования термооптической деформации эмали зуба человека при микрообработке излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона в субабляционном режиме
Рассмотренные здесь модели удаления (абляции) твердых тканей зуба человека позволяют рассчитать глубину и эффективность удаления (абляции) биотканей. В них учитываются интегральные оптические и теплофизические свойства тканей, но не учитываются структурные особенности биотканей, такие как наличие структур в эмали - эмалевых призм, их геометрические размеры, наличие пор в эмали, заполненных водой (см. п. 1.1). Также не учитывается изменение коэффициента поглощения твердых тканей во время абляции [78, 214]. Моделирование с учетом этих особенностей может повысить точность расчетов. Кроме того, в литературе не было найдено моделей, позволяющих численно определить параметры лазерного излучения, необходимые для изменения адгезионной способности, микротвердости и кислотной резистентности твердых тканей зуба человека.
Таким образом, разработка трехмерной математической модели эмали зуба человека, учитывающей ее структурные особенности, позволяющей численно оценить эффективность удаления эмали и определить параметры лазерного излучения среднего ИК диапазона, необходимые для изменения ее микротвердости, кислотной резистентности и адгезионной способности, является актуальной.
В соответствии с рисунком 1.1 (п. 1.1.1), эмаль состоит из регулярно расположенных в ее объеме эмалевых призм, характерный размер эмалевой призмы составляет 5 мкм [62, 65]. Вода, содержащаяся в эмали в свободной и связанной форме, составляет 11% по объему [2, 5, 63]. Далее при моделировании эмаль будет рассматриваться, как трехмерная структура, состоящая из одинаковых элементов (сот) - кубов из гидроксиапатита размером 555 мкм (т.к. 90% минеральной составляющей эмали представлена именно этой формой апатитов [60, 62]). Внутри в центре каждого куба гидроксиапатита (ГА-куб) располагается куб, заполненный водой (В-куб) с размером 2.42.42.4 мкм, что соответствует 11% по объему. На рисунке 2.1 показана схема предлагаемой в настоящей диссертационной работе сотовой трехмерной модели эмали.
Излучение эрбиевых лазеров с длиной волны 3 мкм поглощается водой в большей степени, чем гидроксиапатитом (коэффициент поглощения воды, например, на =2.94 мкм равен 12250 см-1 [71, 75, 102], в то время как коэффициент поглощения гидроксиапатита 300 см-1 [75, 102]). Вследствие поглощения лазерного излучения вода нагревается, закипает и расширяется. Поскольку вода преимущественно содержится в замкнутом пространстве (порах), она начинает давить на стенки ГА-куба. В результате в стенках ГА-куба возникают нормальные (разрыв) и касательные (сдвиг) напряжения [215].
Если возникшие напряжения не превышают предел текучести гидроксиапатита, то в стенках ГА-куба происходит упругая деформация, которая исчезает, как только исчезает давление со стороны воды. Если возникшие напряжения превышают предел текучести гидроксиапатита и не превышают предел прочности, гидроксиапатит пластически деформируется, изменяются форма и плотность ГА-куба, что может привести к увеличению микротвердости и кислотной резистентности эмали, а также стимулировать уменьшение ее пористости. Можно ожидать, что пластическая деформация (термооптическая деформация) возникает при воздействии лазерного излучения с энергией ниже порога удаления эмали (субабляционный режим).
Если возникшие напряжения превышают предел прочности гидроксиапатита, происходит разрушение стенок ГА-куба. Такое поведение материала под давлением соответствует современным теориям прочности [215]. При разрушении стенок ГА-куба за счет расширения воды происходит выброс материала взрывной волной из места воздействия лазерного излучения со скоростью, близкой к скорости звука [76] (абляционный режим).
Описанная здесь сотовая модель эмали и механизм взаимодействия лазерного излучения с эмалью опубликованы в работах [216-219].
В предложенной сотовой трехмерной модели учитываются структурные особенности эмали, распределение энергии в поперечном сечении лазерного пучка (распределение Гаусса), ослабление энергии лазерного излучения в ткани по закону Бугера-Ламберта-Бера [220] и изменение коэффициента поглощения ткани вследствие ее нагрева во время обработки (абляции) [78, 214]. Модель учитывает взрывной механизм лазерного удаления (абляции) твердых тканей зуба человека [76] излучением эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона, которое в большей степени поглощается водой, содержащейся в эмали или дентине зуба, и в меньшей - гидроксиапатитом. Следует отметить, что при моделировании не учитываются такие явления, как рассеяние света в ткани и отражение от поверхности ткани, поскольку их величина незначительна для данного диапазона длин волн (см. п. 1.1.2) [82, 83]. Соты изолированы друг от друга, т.е. модель может быть использована только для импульсов излучения эрбиевого лазера с длительностью, не превышающей время тепловой релаксации соты [77]. Время тепловой релаксации соты тг можно оценить как [221]: tr=, (2.11)
Рассчитанное согласно (2.11) значение т в этом случае составит 50 мкс. Таким образом, данная модель применима для лазерных импульсов, длительность которых меньше 50 мкс или для импульсов, состоящих из последовательности микроимпульсов - пичков, каждый из которых меньше 50 мкс. Следует отметить, что для большинства эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона, работающих в режиме свободной генерации, импульс генерации состоит из пичков с длительностью порядка 1 мкс следующих друг за другом с периодом 5-10 мкс [222].
Далее рассмотрим методы моделирования процессов термооптической деформации и удаления эмали зуба человека излучением эрбиевых лазеров среднего ИК диапазона, с использованием разработанной автором настоящей диссертации сотовой трехмерной модели эмали [217-219].
Для моделирования термооптической деформации эмали зуба человека, в программе SolidWorksPremium 2012 (Adobe Systems Incorporated) создана сотовая трехмерная модель эмали с геометрическими размерами, описанными в п. 2.3 (рисунки 2.1, 2.2). Механические свойства гидроксиапатита, используемые для описания материала в SolidWorks, приведены в п. 1.1.3. В-куб здесь задан как пустое пространство, а на грани В-куба по нормали, в направлении от центра куба, прикладывается нагрузка (рисунок 2.2 б, красные стрелки). Таким образом, моделируется давление, которое оказывает вода при тепловом расширении, на стенки ГА-куба. Между двумя ГА-кубами задан полный контакт, а по периферии - жесткое закрепление (рисунок 2.2 а, б, зеленые стрелки).
Параметры излучения YAG: Er лазера (=2.94мкм, M2=29±2)
Таким образом, при формировании микрократеров излучением YAG: Ег лазера (Х=2.94 мкм, =130±10 мкс по основанию) в эмали: D=112±2 мкм, h=51±4 мкм, V=(37±4)-10"5 мм3, Э =185±17 мм3/кДж; в дентине: D=112±2 мкм, h=73±3 мкм, V=(43±5)-10 5 мм3, Э =215±21 мм3/кДж. При формировании микрократеров излучением YLF: Ег (Х=2.66 мкм, =130±10 мкс по основанию) лазера в эмали: D=105±4 мкм, h=42±4 мкм, V=(23±5)10"5 мм3, Э =118±20 мм3/кДж; в дентине: D=118±2 мкм, h=49±4 мкм, V=(30±7)-10 5 мм3, Э =155±26 ММ3/КДЖ. Значения D h микрократеров, сформированных излучением YAG: Er лазера (Х=2.94 мкм), отличаются от значений D h микрократеров, сформированных излучением YLF: Ег лазера, не более, чем на 20%. Значение эффективности удаления эмали излучением YLF: Ег (Х=2.66 мкм) лазера в 1.6 раза меньше значения эффективности удаления эмали для YAG: Ег лазера (Х=2.94 мкм). Значение эффективности удаления дентина излучением YLF: Ег лазера (Х=2.66 мкм) в 1.4 раза меньше значения эффективности удаления дентина для YAG: Ег лазера (Х=2.94 мкм). Наблюдаемые закономерности можно связать с различиями в коэффициентах поглощения для этих длин волн излучения YAG:Er (Х=2.94 мкм) и YLF:Er (Х=2.66 мкм) лазеров.
При формировании микрократеров излучением YLF: Ег лазера (Х=2.84 мкм, =1400+50 мкс) в эмали: D=\ 15+7 мкм, h=32+4 мкм, V=(16+6)- Ю-5 мм3, Э =82+20 мм3/кДж; в дентине: D=155+5 мкм, h=26+2 мкм, V=(19+4)10"5 мм3, Э = 100+21 мм3/кДж. Очевидно, что диаметр микрократеров D созданных излучением YLF: Ег лазера ( =1400+50 мкс), превышает D для YAG: Ег лазера ( =130+10 мкс) в 1.4 раза для дентина, а для эмали диаметры кратера практически одинаковы. Глубина микрократеров h для YLF: Ег лазера ( =1400+50 мкс) в 1.6 и 2.8 раза меньше глубины микрократеров, созданных с помощью YAG: Ег лазера ( =130+10 мкс). Значение эффективности удаления эмали излучением YLF: Ег лазера ( =1400+50 мкс) в 2.2 раза меньше значения эффективности удаления эмали для YAG: Ег лазера ( =130+10 мкс). Наблюдаемые закономерности можно связать с различиями в длительностях импульса на длинах волн Х=2.94 мкм и Х=2.84 мкм излучения YAG:Er и YLF:Er лазеров, соответственно.
Экспериментальное и теоретическое исследование эффективности удаления эмали зуба человека, при микрообработке излучением YAG Ег лазера с Экспериментальное исследование эффективности удаления твердых тканей зуба человека, при микрообработке излучением YAG: Ег лазера с М2=1.5±0.1 Представлены результаты исследования влияния плотности энергии излучения YAG: Er лазера с М2=1.5±0.1 (Х=2.94мкм, =130+10 мкс) на эффективность удаления эмали и дентина зуба. Результаты данного эксперимента были опубликованы в [230].
В эксперименте в качестве объекта исследования были использованы зубы человека, принадлежащие возрастной категории людей 25 40 лет. Для поддержания естественных свойств образцы хранились в 0.1%-ом водном растворе тимола при температуре +4С не более двух недель в защищенном от света месте.
Непосредственно перед экспериментом на эмали и дентине зуба человека формировались плоские площадки при помощи алмазного диска. На плоской площадке формировались микрократеры при воздействии на эмаль и дентин одиночного импульса излучения YAG: Er (=2.94 мкм, M2=1.5±0.1, =105/130±10 мкс) лазера, сфокусированного на поверхность биоткани в пятно диаметром 120 мкм при помощи линзы (f=38.0±0.1 мм). Подробное описание используемого в настоящем исследовании макета YAG:Er лазера с М2=1.5±0.1 представлены в п. 3.1.2 настоящей диссертационной работы. Энергия в импульсе изменялась при помощи ослабителя Френеля последовательно от 1 до 30 мДж с шагом 1 мДж. Плотность энергии лазерного излучения изменялась в диапазоне от 9 до 260 Дж/см2. Водяное орошение области воздействия не применялось. Следует отметить, что по данным работ [76, 122-132] порог абляции (удаления) эмали излучением YAG: Ег лазера лежит в диапазоне от 3.5 до 19 Дж/см2, а дентина - в диапазоне от 0.6 до 10 Дж/см2., т.е. в данном эксперименте плотность энергии лазерного излучения была выше пороговой. Для каждой энергии излучения формировалось по 10 микрократеров на поверхности эмали или дентина.
После лазерной обработки при помощи алмазного диска проводился распил образцов вдоль продольной оси сформированных лазерным излучением микрократеров. Образцы (эмаль или дентин зуба) до и после распила помещались под микроскоп "LEICA GZ7" ("Leica Microsystems", Германия) и фотографировались при помощи цифровой фотокамеры "Nikon Coolpix 5400" ("Nikon Corporation", Япония). По полученным фотографиям проводилось измерение геометрических параметров микрократеров (диаметра D, глубины h), рассчитывался объем микрократера V и эффективность удаления биоткани Э .
При определении объема микрократеров их форма аппроксимировалась одной или несколькими элементарными геометрическими фигурами вращения, а расчет объема проводился по формуле (3.1) для микрократеров имеющих форму полусферы и формуле (3.2) для микрократеров имеющих форму усеченного конуса. В таблице 3.3 представлены фотографии сформированных излучением YAG: Er лазера c M2=1.5±0.1 микрократеров. Следует отметить, что для всех исследованных плотностей энергии лазерного излучения на стенках микрократеров в эмали и дентине отсутствовала карбонизация. На представленных фотографиях темные пятна на стенках микрократеров связаны с присутствием графитового порошка, введенного автором для улучшения контраста при фотографировании микрократеров.
Исследование влияния пространственных, временных и энергетических параметров излучения YAG: Er лазера при микрообработке на адгезионную способность твердых тканей зуба человека к пломбировочным материалам
Для изображений, представленных на рисунке 4.28 а и б, пористость составила величины 0.068 и 0.018, соответственно, т.е. пористость поверхности интактной эмали значительно (в 3.8 раза) превышает пористость поверхности обработанной излучением YLF: Ег лазера эмали. Очевидно, что материалы с различной пористостью по-разному будут реагировать на внешнее механическое или химическое воздействие, а именно: чем меньше пористость, тем выше микротвердость и кислотная резистентность. Таким образом, лазерное воздействие на интактную эмаль зуба человека уменьшает ее пористость и, как следствие, значительно повышает ее микротвердость и существенно увеличивает кислотную резистентность.
В диссертационном исследовании также были измерены скорости травления интактной и обработанной излучением эрбиевого лазера эмали. В данном случае перед лазерной обработкой на выбранной плоской площадке на коронке зуба создавались отпечатки индентора микротвердомера при нагрузке 300 г, нагрузка прикладывалась в течение 10 с. Следует отметить, что в данном исследовании фиксировалось среднее значение длин диагоналей отпечатков индентора (d). Для измерений использовался микротвердомер "ПТМ-3М" (ОАО "ЛОМО", Россия). Далее по среднему значению длин диагоналей отпечатка индентора микротвердомера рассчитывалась глубина отпечатка в эмали (h)\ 2tgy2 (4.10) где а - угол при вершине пирамиды Виккерса (а=136С) [252].
Затем на поверхности эмали с отпечатками формировалась текстура излучением YLF: Ег лазера (М2=1.5±0.1) с параметрами и по методике, используемым в предыдущем эксперименте (=2.84 мкм, 7Vp=100, F=3 Гц, =280±10 мкс (w=300 мкс), WE=1.9±0.1 Дж/см2). Текстура формировалась 186 таким образом, что бы она располагалась на половине отпечатков от микротвердомера, всего на каждом образце было проведено по 10 измерений микротвердости. Затем на обработанную поверхность эмали и участок интактной эмали, содержащий отпечатки микротвердомера наносился гель "Gel Etchant" ("Kerr", Италия). Травление проводилось таким образом, что через каждые 15 секунд действия геля образец промывался дистиллированной водой в течение 15 с и высушивался струей сжатого воздуха (полное время травление составило 225 с).
Изучение поверхности эмали зуба после лазерного воздействия и после травления осуществлялось с помощью оптического микроскопа "AxioScope А1" ("Carl Zeiss", Германия). Фотографирование проводилось до и после каждого травления при помощи камеры "AxioCam lCm1" ("Carl Zeiss", Германия).
В эксперименте фиксировалось время травления (f), т.е. время через которое начинали исчезать отпечатки от микротвердомера, при исследовании поверхности эмали с помощью оптического микроскопа "AxioScope A1" при увеличении 10. Зная время травления (?) и начальную глубину отпечатков (h) можно вычислить скорость травления v : е t. Средняя глубина отпечатков в интактной эмали составила 8±1 мкм. Время травления () для интактной эмали составило 52±8 с, для обработанной лазерным излучением эмали - 142±8 с. Согласно (4.11) получаем, что скорость травления интактной эмали - 155±25 нм/с, обработанной лазерным излучением эмали -58±25 нм/с. Очевидно, что скорость травления интактной эмали в 2.7 раза превышает скорость травления эмали обработанной излучением YLF: Ег лазера с плотностью энергии ниже порога модификации эмали. Описанные выше результаты экспериментов были частично опубликованы в [274, 284].
Таким образом, в четвертой главе настоящей диссертационной работы: - исследованы эффекты, возникающие в результате воздействия на эмаль и дентин зуба человека излучения эрбиевого лазера среднего ИК диапазона 187 (M2=1.5±0.1) с энергией ниже порога лазерного удаления (абляции) этих биотканей; – установлено, что энергия, необходимая для появления эффектов (порог эффекта), вызванных в твердых тканях зуба человека при одноимпульсном воздействии излучением YLF: Er (=2.84 мкм, M2=1.5±0.1) лазера, таких как модификация, удаление и карбонизация, увеличивается при увеличении длительности импульса от 250 до 1050 мкс; – исследована прочность соединения между твердыми тканями зуба человека и современными композитными пломбировочными материалами до и после создания на поверхности этих биотканей регулярных структур излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона с энергией не ниже порога их лазерного удаления (абляционный режим); – установлено, что создание на поверхности эмали излучением YAG: Er лазера (M2=1.5±0.1) с длиной волны 2.94 мкм и плотностью энергии не ниже порога лазерного удаления эмали регулярных структур, состоящих из микрократеров с диаметром 80110 мкм, глубиной 3050мкм и расстоянием между центрами микрократеров 50100 мкм приводит к повышению прочности соединения высокотекучих светоотверждаемых композитных пломбировочных материалов с эмалью зуба в 1.53.0 раза и снижению микроподтекания, по сравнению с традиционными методиками обработки поверхности; – изучена микротвердость и кислотная резистентность твердых тканей зуба человека до и после создания на поверхности этих биотканей регулярных структур излучением эрбиевого среднего ИК диапазона лазера с энергией ниже порога их лазерного удаления (субабляционный режим); – установлено, что создание регулярных структур излучением YLF: Er (=2.84 мкм) лазера на поверхности твердых тканей зуба человека, при длительности импульса 2501050 мкм, плотности энергии ниже порога удаления и многократном воздействии (10600 импульсов) в одну точку, приводит к устойчивому к внешнему механическому воздействию повышению кислотной 188 резистентности твердых тканей зуба человека и повышению микротвердости поверхности эмали на 1525%, дентина на 1035%, цемента на 2045%; – показано, что сотовая трехмерная модель эмали зуба человека позволяет адекватно эксперименту описать изменение адгезионной способности эмали после ее микрообработки излучением эрбиевого лазера среднего ИК диапазона (M2=1.5±0.1) с плотностью энергии не ниже порога лазерного удаления эмали; – разработан новый метод оценки пористости поверхности эмали зуба, основанный на компьютерной обработке СЭМ изображений ее поверхности до и после лазерного воздействия, и установлено, что при воздействии излучения YLF: Er лазера (M2=1.5±0.1) с длиной волны 2.84 мкм, длительностью импульса 250350 мкс и плотностью энергии ниже порога лазерного удаления эмали, пористость эмали уменьшается в 34 раза по сравнению с интактной эмалью; – предложен оригинальный метод определения скорости удаления эмали под действием кислоты, основанный на анализе геометрических параметров отпечатка индентора микротвердомера в эмали в процессе воздействия кислоты на интактную и обработанную лазерным излучением поверхность эмали, и установлено что при воздействии излучения YLF: Er лазера (M2=1.5±0.1) с длиной волны 2.84 мкм, длительностью импульса 250350 мкс и плотностью энергии ниже порога лазерного удаления эмали, скорость удаления эмали под воздействием 37.5% ортофосфорной кислоты уменьшается в 23 раза по сравнению с интактной эмалью.
