Wuhan Medfibers Technology Co., Ltd.
Address: B9-4, Hi-Tech Medical Device Park, #818 Gaoxin Avenue, East Lake Development Zone, Wuhan 430206, China.
Telefon: +86 27 59884234
Fax: +86-27-59884234


Pulsed Laser Sintering of Photo-active Calcium Phosphates for Dental Enamel Restoration

04/08/2016  |  Tags: Dental Enamel Restoration,Laser,
Introduction:  Acid  erosion  and  wear  of  natural enamel  leading  to  sensitivity  of  teeth  is  a  common  condition  amongst  large  population  worldwide.  It  is  a  lifestyle  related  condition,  resulting  from  the  progressive  loss  of  mineral  phase  from  enamel  surface.  Unlike  bone,  the  dental  enamel  is  a  dead  tissue  and  cannot  regenerate itself  and  it  must  be  restored  for  preventing exposure of  softer  dentinal  tubules  and  nerves  [1],  which  is  the  root  cause  of  pain.  At  present  there  is  no  long-term  treatment  except  the  daily  use  of  brand  tooth  pastes,  regular  use  of  which  provide  some  protection.  Consequently,  the  dental  condition  globally  is on rise.  Novel enamel  restoration  procedure  using lasers:  We  investigated  the  laser  sintering  behaviour  of rare-earth  oxide  doped  calcium  phosphate  suspensions,  which  was  applied  on  the  surface  extracted,  disinfected,  y-ray  irradiated  teeth,  surfaces  of which  were  prepared  apriori  using  dilute  phosphoric  acid.  The  natural  dental  enamel  is  a  hydroxyl  apatite  (HAp)  [2].  We  refer  to  rare-earth  doped  calcium  phosphates  as  the  photo-active  enamel  mineral  (PAEM),  which  was  then  irradiated  with  both  pulsed  and  CW  lasers.  For  effective  photo-activation  of  synthetic  mineral  leading  to  sintering  with  the  natural  enamel  using  pulsed  laser,  the  calcium  phosphate phase  was  doped  with  1-2  wt%  ofYb203  or  Er203  oxide,  which  was  dissolved  into  the  suspension together  with  2 wt%  of  aluminium  phosphate  (AIP04),  2  wt%  calcium  fluoride  (CaF2)  and  the  remaining  calcium  phosphate  constituents,  which  makes  the  majority  of  mineral.  The  synthesized  mineral,  unlike  natural  and  synthetic  needle  like  HAp,  has  platelet  structure  for  providing  larger  surface  occlusion,  rapid  heat  transfer,  and  large  surface  area  for  sintering  (Figure  la).  The  rare-earth  oxides  as  dopant  facilitate  strong  energy  absorption  through  resonant  band  of  the  RE-oxide,  and  facilitate  sintering  during  ultra  fast  (femto-second)  and  CW  laser  irradiation.  To  date  we  have  analyzed  and  compared  sintering  of PAEM  with  800  nm  (Ti  sapphire  laser,  430  mW,  135  fs,  83  MHz)  in  Figure  Ib,  1520  nm  (Cr 4 +-laser,  150  mW,  100fs,  2.5  OHz)  in  Figure  Ic,  and  980  nm  CW  diode  laser  (500  mW  CW)  in Figure  Id.  The  sintering  was  studied  as a  function  of time  and  it was  found  that  with  high  repetition  rate  non-resonan t  laser,  e.g.  at  800  nm,  and  the  resonant  1520  nm,  the  sintering  time  was  less  than  2  minutes.  Prolonged  irradiation  beyond  2  minutes  resulted  in  the  structural  damage  as  shown  in  Figure  I b,  with  surrounding  sintered  region.  The  irradiated  surfaces  were  analysed  for  heat  accumulation  by  undertaking  temperature  measurements  on  pressed  synthetic  mineral  pellets,  and  the  maximum  temperature  rise  of 30°C  was  recorded  on small  discs  of  I mm  in thickness.  The  mineral  constituents  such  as CaF2  and  AIP04  are  incorporated  for  enhancing  acid  and  wear  resistance,  and  ease  of  sintering  during  laser  irradiation.  As  a  preliminary  step  to  full  in-vitro  and  in-situ  evaluation  of  laser  sintered  materials,  the  hardness  of  the  sintered  materials  were  compared  with  respect  to  exposed  dentine  surface  and  the  natural  enamel.  The  hardness  of  natural  enamel  is  3.50Pa  [3]  compared  to  0.25  OPa  for  an  exposed  surface  with  thin  and  eroded  layer  of  mineral.  The  micro­ hardness  of  laser  sintered  materials  is  thickness  dependent  and  1.20Pa  for  less  than  20  11m  sintered  layer  using  980  nm.  The  hardness  for  fs-Iaser  sintered  materials  will  be presented  at the  conference  together  with  the  data  on  acid  resistance.  Microscopic  and  X-ray  diffraction  analysis  shows  that  the  synthetic  phosphate  tends  to  transform  into  hydroxyl apatite  under  laser  irradiation.  In  conclusion,  although  the  nano-second  pulsed  laser  [4]  with  slow  repetition  rates  have  been  quite  popular  together  with  CO2  lasers  for  general  surgical  procedure  in  dentistry,  these  lasers  are  unsuitable  for  restoration  of  enamel  surface.  The  ultra-fast  high  repetition  rate  lasers  of  P AEM  offer  good  opportunity  for  bringing  a  new  application  of laser  in clinical  dentistry  for  the  prevention  of acid  erosion  leading  to hypersensitivity  .
dental laser tips

Figure  I:  a) Platelet  phosphate  and needle  shape  HAp  (inset),  b)  microstructure  of irradiated  minerals  with  800 nm  100 fs  80MHz,  c)  1520  nm  2.5 GHz,  150 mW  power,  the focussed  laser  spot was where  there  is crack,  d) 980 nm CW laser  with  the  laser  spot (inset).  The rosette-like  crystals  grow  after  few minutes  while  the liquid  recesses.