The Impact of Laser Treatment on the Microstructure and Biocompatibility of the Surface of Modified Ceramic Materials
Creators: name: Μπεκέτοβα, Αναστασία Βενιαμίν (Beketova, Anastasia)
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Βιοκεραμικά υλικά
Βιοενεργότητα
Bioceramics
Laser
Βioactivity

description: Τα σύνθετα υλικά που συντίθενται από βιοαδρανή και βιοενεργά κεραμικά παρασκευάζονται για να επιτευχθούν δύο βασικές ιδιότητες: η μηχανική αντοχή και η βιοδραστικότητα.Αυτά τα σύνθετα υλικά με υψηλή ποσότητα των οδοντικών κεραμικών θα μπορούσαν δυνητικά να χρησιμοποιηθούν στην αποκαταστατική οδοντιατρική, για να επιτευχθεί μια πλήρης και αποτελεσματική σύνδεση των μαλακών περιοδοντικών ιστών με την τελική αυχενική επιφάνεια μιας προσθετικής αποκατάστασης διαμέσου της δημιουργίας ενός νανο-διάστατου βιολογικού υδροξυαπατιτικού στρώματος. Εν τούτοις η αύξηση της ποσοστιαίας σχέσης της οδοντιατρικής πορσελάνης σε σύνθετα οδοντιατρικής πορσελάνης-βιοενεργούς υάλου καθυστερεί την εμφάνιση της υδροξυαπατιτικής καθίζησης στην επιφάνεια των υλικών, και, συνεπώς, μειώνει την βιοενεργότητα αυτών των υλικών. Με στόχο την επιτάχυνση της εκδήλωσης βιοενεργότητας τέτοιων υλικών, εφαρμόσθηκε μια καινούρια μέθοδος αλληλεπίδρασης laser-liquid-solid (LLSI), η οποία βασίζεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ της ακτίνας λέιζερ και υδατικού διαλύματος (DMEM), παρουσία του σκληρού κεραμικού υποστρώματος. Στόχος. Ο χαρακτηρισμός της δομής και της βιοενεργότητας του συστήματος οδοντιατρικής πορσελάνης-βιοενεργούς υάλου(50/50) μετά τη διεργασία αλληλεπίδρασης λέιζερ υγρού-στερεού Υλικά και μέθοδοι. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει 5 στάδια:παρασκευή του υλικού της οδοντιατρικής πορσελάνης-βιοενεργούς υάλου (50/50) με τη μέθοδο sol-gel, κατασκευή δοκιμίων (δίσκοι διαμέτρου 4,5 mm, πάχους 1,5 mm), εφαρμογή της μεθόδου αλληλεπίδρασης λέιζερ-υγρού-στερεού με την τροποποίηση διαφόρων παραμέτρων λέιζερ Nd:YAG και Er:YAG, διατήρηση των δοκιμίων σε Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) για 3 έως και 6 ημέρες αντίστοιχα και χαρακτηρισμός των δοκιμίων με τις τεχνικές FTIR, SEM και TEM. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 52 δοκίμια , 12 εκ των οποίων αποτέλεσαν την ομάδα ελέγχου. Αποτελέσματα. Από τα 9 δείγματα που ακτινοβολήθηκαν με λέιζερ Nd:YAG, σε ένα δείγμα μετά από 3 μέρες εμποτισμού σε DMEM βρέθηκε νανο-υδροξυαπατίτης σε μορφή νιφάδας. Αυτό το εύρημα επιβεβαιώθηκε επίσης τόσο με ΤΕΜ όσο και από το πλέγμα διάθλασης. Από τα 31 δείγματα που επεξεργάστηκαν με λέιζερ Er:YAG, σε 4 δείγματα βρέθηκε υδροξυαπατίτης μετά από 6 ημέρες παραμονής σε DMEM. Σε μερικά δείγματα παρατηρήθηκε αποδόμηση και λιώσιμο, φαινόμενα που καταγράφτηκαν στις μικροφωτογραφίες SEM. Συζήτηση. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η ανάπτυξη του στρώματος υδροξυαπατίτη στην επιφάνεια του BG/DC υλικού μπορεί να επιτευχθεί με συνδυασμό συγκεκριμένων παραμέτρων των ακτινών Laser.Συζητήθηκαν πιθανοί μηχανισμοί του LLSI από την θερμοδυναμική άποψη, καθώς επίσης εξηγήθηκε λογικά η επίδραση διαφόρων παραμέτρων της ενέργειας λέιζερ στην επιφάνεια των υλικών. Συμπεράσματα. Υπό τους περιορισμούς της παρούσας μελέτης, μπορεί να εξαχθεί ότι η εφαρμογή των ορισμένων παραμέτρων της λέιζερ ενέργειας Nd:YAG και Er:YAG επιταχύνει την βιοενεργότητα του σύνθετου υλικού οδοντιατρικής πορσελάνης-βιοενεργούς ύαλου. Ορισμένες παράμετροι του λέιζερ Nd:YAG προκαλούν την ανάπτυξη του νανο-υδροξυαπατίτη σε μορφή νιφάδας. Η επίδρασης υψηλής ενέργειας λέιζερ Er:YAG, καθώς επίσης υψηλή ισχύς της ακτίνας λέιζερ, προκαλούν σύντηξη και βαθειά αποδόμηση της επιφάνειας των υλικών, γεγονός που επιδρά αρνητικά στην βιοενεργή συμπεριφορά των δειγμάτων. Εκτός από αυτό, δεν παρατηρήθηκε καμία σαφής αποδόμηση της επιφάνειας των δειγμάτων με την εφαρμογή της ακτινοβολίας Nd:YAG. Τέλος, απαιτείται περαιτέρω έρευνα με στόχο την αξιολόγηση των μηχανισμών LLSI για BG/DP (50/50), ώστε να καθοριστούν οι βέλτιστες συνθήκες για την πρώιμη και ελεγχόμενη ανάπτυξη του υδροξυαπατίτη.
description: Statement of the Problem Composite materials made of bioinert and bioactive ceramics are produced to achieve two important features: mechanical strength and bioactivity.Such composites with high amount of dental ceramics can potentially be used in restorative dentistry to achieve complete and effective attachment of soft periodontal tissues to fixed dental restoration surface by creating a nanodimensional biological hydroxyapatite layer. However, increasing of the dental porcelain percent ratio in bioglass-dental porcelain composite slows down the onset of hydroxyapatite precipitation on the materials surface and, consequently, decreases the bioactivity of such materials.In order to enhance bioactivity of such composites a novel method of laser-liquid-solid interaction (LLSI) was applied, which based interaction between a scanning laser beam and an aqueous solution (DMEM), in the presence of solid substrate. Purpose The characterization of structure and bioactivity of the system bioglass-dental porcelain (50/50) after the process of laser liquid-solid interaction Materials and Methods include 5 steps: preparation of bioactive glass-dental porcelain (50/50) material by sol-gel route, samples fabrication (discs with diameter 4,5 mm, thickness 1.5 mm), application of laser-liquid-solid interaction with different parameters of Nd:YAG and Er:YAG lasers, immersion of samples in Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) for 3 and 6 days respectively in order to control bioactivity, characterization of samples by FTIR, SEM and TEM techniques.Results From 9 samples irradiated with Nd:YAG laser in one sample flake-like nano hydroxyapatite was found after 3 days of immersion in DMEM. This finding was also was confirmed by TEM and diffraction pattern. From 31 samples treated by Er:YAG laser in 4 samples hydroxyapatite was found after 6 days of immersion in DMEM. Ablation and melting in some samples was seen on SEM microphotographs.Discussion. From results can be verified that a hydroxyapatite film deposition on the surface of BG/DC material takes place in rather certain range of laser parameters. Possible mechanisms of LLSI were discussed from thermodynamic point of view as well as the impact of different parameters of laser energy on materials’ surface were explained. Conclusions Under the 1imitations of the present investigation it can be concluded that application of certain parameters of Nd:YAG and Er:YAG laser energy accelerate the onset of bioactivity of bioactive glass-dental porcelain composite material. Certain parameters of applied Nd:YAG laser cause the precipitation of flake-like nano hydroxyapatite. Application of high fluences of Er:YAG laser energy, as well as high peak power values of the laser beam causes melting and deep ablation of the materials surface, that affect negatively the bioactive behavior of the samples. Furthermore, no obvious laser ablation of surface of the samples was caused in the applied range of fluences of Nd:YAG laser. Further research in determination of mechanisms of LLSI for BG/DP (50/50) is required in order to estimate the optimal conditions for early and controlled hydroxyapatite precipitation.