2016 Fiscal Year Research-status Report
中赤外ナノ秒パルスレーザーを用いたう蝕象牙質切削における選択的治療条件の最適化
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15K11112
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
石井 克典 大阪大学, 工学研究科, 助教 (20512073)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | レーザー治療 / 中赤外レーザー / 低侵襲治療 / 保存修復学 / ミニマルインターベンション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
う蝕（虫歯）治療において、健全歯に非侵襲に感染象牙質や軟化象牙質を選択的に切削するミニマルインターベンションが切望されており、我々の先行研究において、中赤外域のナノ秒パルスレーザーを用いることで軟化象牙質のみを選択的に切削可能なことが分かってきている。本研究では、有機質由来の中赤外域の吸収帯における波長依存性を検討することで選択的切削のメカニズムを解明すること、最適波長と最適照射エネルギー条件を決定すること、および最適条件におけるコンポジットレジン修復への適応性を評価することを目的としている。
平成28年度までに、レーザーの波長・平均パワー密度・照射時間と切削深さ・切削形態との関係について、ウシ抜去歯で作製した脱灰象牙質を虫歯モデルとして用いた評価を行った。光源に波長可変域2.8～3.1 μmの光パラメトリック発振方式ナノ秒パルスレーザー、波長可変域5.5～10 μmの差周波発生方式ナノ秒パルスレーザー、および波長5.85 μmの量子カスケードレーザーを用い、ウシ健全象牙質とウシ脱灰象牙質を対象に、レーザー顕微鏡による切削深さ、切削体積の評価、および走査型電子顕微鏡観察による熱影響の評価を行った。
波長2.94および5.80 μmのナノ秒パルスレーザーによる切削特性を比較した結果、どちらも脱灰象牙質の選択的切削が可能であり，健全象牙質の損傷は無視できる程度であることがわかった。同じパワー密度で照射した場合，波長2.94 μmでの切削量の方が波長5.80 μmでのそれよりも多かった。一方で，波長5.80 μmのレーザーによる熱的影響は，波長2.94 μmのレーザーによるそれよりも少ないことがわかった。ナノ秒パルスレーザーより小型（約20 cm）な波長5.85 μmの量子カスケードレーザーを用いた場合にも、健全象牙質に低侵襲に脱灰象牙質を切削できることが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
レーザーの波長・平均パワー密度・照射時間と切削深さ・切削形態との関係について、ウシ抜去歯で作製した脱灰象牙質を虫歯モデルとして評価を行った。光源に波長可変域2.8～3.1 μmの光パラメトリック発振方式ナノ秒パルスレーザー、波長可変域5.5～10 μmの差周波発生方式ナノ秒パルスレーザー、および波長5.85 μmの量子カスケードレーザーを用い、ウシ健全象牙質とウシ脱灰象牙質を対象に、レーザー顕微鏡による切削深さ、切削体積の評価、および走査型電子顕微鏡観察による熱影響の評価を行った。
波長2.94および5.80 μmのナノ秒パルスレーザーを用いてウシ象牙質の切削特性を比較した結果、どちらのレーザーを用いた場合も脱灰象牙質の選択的切削が可能であり、健全象牙質の損傷は無視できる程度であることがわかった。同じパワー密度で照射した場合、波長2.94 μmでの切削量の方が波長5.80 μmでのそれよりも多かった。一方で，波長5.80 μmのレーザーによる熱的影響は，波長2.94 μmのレーザーによるそれよりも少ないことがわかった。
しかし、5.80 μmの差周波発生方式ナノ秒パルスレーザーは大きさが1 m程度であり、そのままでは臨床での使用が困難である。そこで、ナノ秒パルスレーザーよりも小型（約20 cm）な波長5.85 μmの量子カスケードレーザーを用いた場合についても評価を行った結果、量子カスケードレーザーでも健全象牙質に低侵襲に脱灰象牙質を切削できることが確認された。これらの知見は虫歯の選択的切削が可能なレーザー治療機器の開発に大きく貢献できると考えられる。
レーザー波長・平均パワー密度・照射時間などの測定条件の数や、ウシ健全象牙質、ウシ脱灰象牙質のサンプル数についてほぼ予定どおりに評価実験を進めており、順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
① 波長・平均パワー密度・照射時間と切削深さ・切削形態との関係（ウシ抜去歯で作製した虫歯モデルを用いた評価）について引き続き実験を行う。
② 最適条件における虫歯の選択的切削の実験的物理式に基づいた理論的考察について、実験①で明らかとなった切削深さの波長依存性のデータとウシ象牙質の吸収係数のデータを用い、レーザーアブレーションの実験的物理モデルであるBlow-offモデルから最適波長および最適照射エネルギー範囲を考察する。ウシ象牙質の吸収係数のデータはフーリエ変換型赤外分光光度計を用いることで反射率補正を行った正確な吸光度を、レーザー顕微鏡を用いることで正確な試料厚みをそれぞれ測定し、逆ランバート・ベールの法則により算出する。
③ 最適条件と切削深さ・切削形態との関係（ヒト虫歯を用いた実験）について、実験①および②で決定した最適波長および最適照射エネルギー範囲を用いることで、ヒト虫歯の選択的切削が可能であるかを実験的に検証する。ヒト虫歯象牙質の虫歯部分と健全部分を対象に、切削深さの評価および熱影響の評価を行う。また、レーザー照射条件（波長、パルス幅）、虫歯象牙質の光学特性（吸収特性や熱緩和時間特性）および機械的特性（粘性や硬さ）といった各種パラメーターを関連付け、選択的切削が起きるメカニズムを考察する。
④ 最適条件におけるコンポジットレジン接着性の評価（ヒト虫歯を用いた実験）について、現在の虫歯治療は切削治療後にコンポジットレジン充填を行い修復することで完了する。実験③で決定した最適波長および最適照射エネルギー範囲でヒト虫歯象牙質の切削を行い、切削面を接着材で処理し、コンポジットレジンの充填を施し、接着強度試験（引っ張り試験）を行い接着強度を評価する。比較対照として、既に実際の虫歯治療で用いられているEr:YAGレーザーによる切削歯面についても評価する。
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| Causes of Carryover |
試料へレーザーを照射するための光学系を、当初の予定よりも少ない金額で構築することができたため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は、平成29年度に行うレーザー照射実験で必要となるレーザー照射光学系や試薬等の消耗品の購入に使用する予定である。
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