Measurements of erbium laser-ablation efficiency in hard dental tissues under different water cooling conditions

Abstract

Laser triangulation measurements of Er:YAG and Er,Cr:YSGG laser-ablated volumes in hard dental tissues are made, in order to verify the possible existence of a "hydrokinetic" effect that has been proposed as an alternative to the "subsurface water expansion" mechanism for hard-tissue laser ablation. No evidence of the hydrokinetic effect could be observed under a broad range of tested laser parameters and water cooling conditions. On the contrary, the application of water spray during laser exposure of hard dental material is observed to diminish the laser-ablation efficiency (AE) in comparison with laser exposure under the absence of water spray. Our findings are in agreement with the generally accepted principle of action for erbium laser ablation, which is based on fast subsurface expansion of laser-heated water trapped within the interstitial structure of hard dental tissues. Our measurements also show that the well-known phenomenon of ablation stalling, during a series of consecutive laser pulses, can primarily be attributed to the blocking of laser light by the loosely bound and recondensed desiccated minerals that collect on the tooth surface during and following laser ablation. In addition to the prevention of tooth bulk temperature buildup, a positive function of the water spray that is typically used with erbium dental lasers is to rehydrate these minerals, and thus sustaining the subsurface expansion ablation process. A negative side effect of using a continuous water spray is that the AE gets reduced due to the laser light being partially absorbed in the water-spray particles above the tooth and in the collected water pool on the tooth surface. Finally, no evidence of the influence of the water absorption shift on the hypothesized increase in the AE of the Er,Cr:YSGG wavelength is observed.

Impact of Er:YAG laser pulse duration on ultra-structure of dentin collagen fibrils

“…Also, the endogenous water increases the degree of ablation efficiency by eliminating the free water component from the tissue and maintaining the interprismatic stored water or bound OH components [18]. Water is required to prevent desiccation [19] and attenuate the temperature rise and hence, minimizes the risk of thermal injury to the pulp [14,20,21] and surrounding tissues.…”

Influência de diferentes protocolos de irradiação do laser de Er:YAG na morfologia dentinária, na formação da camada híbrida e na resistência adesiva

“…A irradiação do tecido dentinário com o laser de Er:YAG vai ao encontro da filosofia de mínima intervenção uma vez que seu comprimento de onda de 2,94 μm coincide com o pico de absorção máxima da banda da água (3,0 μm) e dos grupos hidroxilas da hidroxipaptita (2,8 μm), proporcionando uma interação efetiva com o tecido dental duro (Hibst;Keller, 1989;Kuscer;Diaci, 2013).…”

“…O laser de Er:YAG atua sobre o substrato dental por meio da ablação termomecânica, na qual a energia incidente é altamente absorvida pelas moléculas de água da estrutura dental ocasionando um rápido aquecimento e evaporação da água no tecido, levando a um aumento da pressão interna seguido de sucessivas microexplosões com ejeção dos tecidos (Hibst;Keller, 1989;Kuscer;Diaci, 2013).…”

“…A irradiação com o laser de Er:YAG é considerado um procedimento seguro por produzir um pequeno aumento de temperatura (˂5.5°C) (Oelgiesser et al, 2003), gerando mínimo dano térmico à polpa e aos tecidos adjacentes (Hossain et al, 1999;Hossain et al, 2003;Armengol et al, 2002), especialmente quando irradiados com contínua irrigação com água/ar (Hibst;Keller, 1989;Kuscer;Diaci, 2013). Adicionalmente, a correta refrigeração do tecido durante a ablação está associada ao aumento da eficiência do corte (Burkes et al, 1992;Visuri et al, 1996b).…”

“…Entretanto, nem todo o material ablacionado é ejetado da área irradiada. Assim, alguns minerais derretidos e desidratados que estão fracamente aderidos à superfície, podem ser recondensados, dificultando sua remoção e reduzindo à ablação dos pulsos subsequentes (Kuscer;Diaci, 2013). Esse material recondensado que permanece na superfície do tecido transfere a energia absorvida na forma de calor, reaquecendo o tecido (Fried et al, 2001).…”