Thesis
Reference
Adaptation marginale en émail et en dentine des cavités de classe V préparées à l'aide d'un laser à impulsion carrée quantique et
restaurées en résine composite
NERUSHAY, Izabella
Abstract
Objectif: Cette étude a évalué l'adaptation marginale de restaurations de cavités de classe V préparées avec un laser Er: YAG en mode Quantum Square Pulse (QSP) en comparaison avec le mode Super Short Pulse (SSP) et une fraise diamantée. L'importance de la finition avec une faible puissance et deux distances d'irradiation ont été aussi évaluées. Méthode:
Les cavités mixte de classe V ont été préparées en variant les paramètres sus-mentionnés et ont été réstaurées avec un composite. L'analyse de l'adaptation marginale au MEB a été faite avant et après cycle de charges thermo-mécanique. Résultats: La dentine traitée avec SSP a montré un pourcentage significativement plus bas que les groupes de contrôle et QSP, ceux-ci étant aussi efficaces l'un que l'autre. Conclusion: Le protocole de préparation suivie d'une finition pourrait ne plus être nécessaire avec le mode QSP, réduisant le temps de traitement sans compromettre l'adaptation marginale.
NERUSHAY, Izabella. Adaptation marginale en émail et en dentine des cavités de classe V préparées à l'aide d'un laser à impulsion carrée quantique et restaurées en résine composite. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2017, no. Méd. dent. 750
DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:98687 URN : urn:nbn:ch:unige-986877
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:98687
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Division de Cariologie et d’Endodontie
Thèse préparée sous la direction du Professeur Ivo KREJCI
ADAPTATION MARGINALE EN ÉMAIL ET EN DENTINE DES CAVITÉS DE CLASSE V PRÉPARÉES À L’AIDE D’UN LASER À IMPULSION CARRÉE
QUANTIQUE ET RESTAURÉES EN RÉSINE COMPOSITE
Thèse
présentée à la Faculté de Médecine de l'Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur en médecine dentaire par
Izabella NERUSHAY d’Ollon (VD)
Thèse n° 750
Genève
2017
Remerciements
Je voudrais tout d’abord exprimer mes sincères remerciements à mon directeur de thèse, le Professeur Ivo Krejci, pour avoir partagé sa passion pour l’enseignement, pour m’avoir guidée et encouragée tout au long de ce travail de recherche.
La Doctoresse Tissiana Bortolotto pour sa grande disponibilité et conseils précieux, pour son aide dans la rédaction et la statistique.
La Doctoresse Nina Malej pour ses conseils et son aide dans l’opération du laser.
Madame Nadège Négrin pour la relecture du texte français. Je suis profondément reconnaissante pour sa motivation, sa grande amabilité et disponibilité.
Madame Isaline Rossier et Madame Luciana Nunes pour leur travail de préparation et d’observation des échantillons au microscope, pour leur gentillesse et professionnalisme.
Le Docteur Nicolas Rizcalla pour avoir enrichi mes connaissances dans la méthode de travail, pour son aide dans la rédaction et son soutien constant.
A tous les collaborateurs de la division de cariologie et d’endodontie, pour votre motivation et excellente ambiance de travail.
A mes parents et à mes sœurs, qui m’ont soutenue et encouragée à chaque étape importante de ma vie, tout au long de mes études et du travail de ma thèse.
1 TABLE DES MATIÈRES
I PARTIE FRANÇAISE
Résumé 2
Introduction 3
Matériel et Méthodes 5
Résultats 9
Discussion 10
Conclusion 15
II PARTIE ANGLAISE
Abstract 16
Introduction 17
Materials and Methods 19
Results 23
Discussion 24
Conclusion 29
References 30
Tables 36
Figures 38
Publications 45
2 PARTIE FRANCAISE RÉSUMÉ
Le but de cette étude était d’évaluer l’adaptation marginale de restaurations en composite dans des cavités de classe V, préparées avec le nouveau mode Quantum Square Pulse (QSP) d’un laser Er:YAG comparé avec le Super Short Pulse (SSP) et la préparation avec fraise diamantée. L’effet de la finition laser avec une faible énergie des pulsations et deux distances d’irradiation différentes ont aussi été évalués. Les cavités de classe V ont été préparées dans l’émail et la dentine selon les méthodes suivantes : (Gr. A) QSP, sans finition (F), pièce à main non contact (NC) ; (Gr. B) QSP, F, NC ; (Gr. C) QSP, sans F, pièce à main contact (C) ; (Gr. D) QSP, F, C ; (Gr. E) SSP, sans F, NC ; (Gr. F) SSP, F, C ; (Gr. G) fraise diamantée, groupe de contrôle. Les cavités ont été restaurées avec Clearfil SE Bond (Kuraray) et le composite Clearfil AP-X (Kuraray) sous simulation de fluide dentinaire. L’analyse de l’adaptation marginale sous microscope électronique à balayage à 200x a été faite sur des répliques avant et après charge thermomécanique cyclique dans le but de déterminer le pourcentage de « marge continue » (i.e. de 0 à 100% de marges sans ouverture). Les différences entre les groupes ont été analysées à l’aide des tests ANOVA et Duncan post hoc. La dentine traitée avec SSP a montré un pourcentage de
« marge continue » significativement plus bas (Groupes E et F ; 54.2(±12.3) et 49.0(±15.6), respectivement) que le mode QSP et le groupe de contrôle, qui étaient aussi efficaces l’un que l’autre.
Le protocole qui consistait en une préparation suivie d’une finition, pourrait ne plus s’avérer nécessaire en utilisant le mode QSP, ce qui réduirait le temps clinique sans compromettre l’adaptation marginale.
3 INTRODUCTION
Dans un traitement dentaire, la préparation des tissus est un équilibre fragile entre leur préservation et la gestion du temps. (Majd et al. 2012) Les lasers Er:YAG ont été utilisés par les cliniciens pour préparer les cavités comme alternative à la fraise mécanique. Ceux-ci présentent des avantages comme une perception des vibrations et une sensation de douleur amoindries, un effet bactéricide sur les tissus et une plus grande versatilité de traitements. (Bader & Krejci 2006) La longueur d’onde émise par les lasers Er:YAG correspond au pic d’absorption de l’eau, ce qui les élève parmi les plus performants sur le marché pour la préparation des tissus durs. (Zharikov et al. 1974;
Perhavec & Diaci 2008)
L’interaction entre le laser et les tissus durs dépend de leur teneur en eau et des paramètres du laser tels que: la durée des pulsations, leur énergie, leur fréquence, la distance d’irradiation, la présence d’un spray d’eau et la pression de l’air. (Parker 2007; Corona et al. 2008; Rizcalla et al. 2012) Selon les paramètres utilisés, l’énergie appliquée sur les tissus peut induire une augmentation de la température provoquant des changements physiques, chimiques et morphologiques. (Moretto et al.
2011; Hossain et al. 2003)
La technologie Variable Square Pulse (VSP) permet de modifier la durée des pulsations, ce qui rend les vitesses de traitement comparables voire plus rapides que la fraise mécanique. (Lukac et al.
2007; Baraba et al. 2012) Des études ont démontré que l’ablation des tissus est plus efficace avec des pulsations de courte durée, celles de moins de 110 μsec montrant une diminution de la perte de chaleur due à la conduction. (Majaron et al. 1998; Lukac et al. 2004) La dernière nouveauté est le mode Quantum Square Pulse (QSP), où un pulse est divisé en pulslets courts, ce qui résulte en un temps d’interaction avec les tissus extrêmement court et une augmentation considérable de l’efficacité d’ablation. Les marges de la cavité sont aussi mieux définies. (Primc & Lukac 2013)
Il en résulte une ablation de type “froide” car, la vitesse d’ablation étant plus grande que le taux de diffusion de la chaleur dans les tissus irradiés, les dommages thermiques sont limités quand la puissance des pulsations est haute et leur fréquence basse. (Krmek et al. 2010) La méthode habituelle de préparation consiste à préparer la cavité avec des pulsations à haute intensité, puis à “finir” la surface avec une basse intensité, ce qui allonge le temps clinique. (de Carvalho RW et al. 2005; De Moor & Delmé 2006; Lopes et al. 2015;) La préparation avec des pulsations à énergie haute crée des microfractures, particulièrement dans l’émail, ces dernières sont cependant éliminées par une finition à intensité basse. (Bader & Krejci 2006)
4 La pièce à main n’étant pas en contact avec les tissus, les fabricants en proposent 2 types:
contact (courte distance) et non contact, qui sont caractérisées par la distance parcourue entre le rayon laser et la surface d’irradiation. (Shirani et al. 2014) En général, en augmentant la distance d’irradiation du point focal, le diamètre du rayon augmente et l’énergie se dissipe sur une plus grande surface et ainsi l’efficacité d’ablation diminue. (Chimello-Sousa et al. 2006)
Comme expliqué ci-dessus, les paramètres influencent l’intégrité des tissus et peuvent avoir une incidence sur la capacité d’adhésion des systèmes adhésifs, et donc sur la durabilité des restaurations en résine. (Gimbel 2000; Schein et al. 2003; Esteves-Oliveira et al. 2007). Une adaptation marginale réduite entre la résine composite et les tissus dentaires peut induire la formation de caries secondaires, qui est la cause principale de remplacement de restaurations. (Jokstad 2016)
L'intérêt de la présente étude est d’évaluer l’intégrité des marges de cavités de classe V préparées avec les modes SSP et QSP, en comparaison avec la préparation mécanique à la fraise diamantée. Les cavités ont été restaurées avec un adhésif auto-mordançant et un composite micro- hybride, puis soumises à un cycle thermomécanique. La première hypothèse testée était qu’il n’y aurait aucune différence d’adaptation marginale du composite sur l’émail et dentine préparées avec les modes SSP et QSP et avec la fraise diamantée conventionnelle. La seconde hypothèse testée était qu’il n’y aurait aucune différence d’adaptation marginale du composite sur l’émail et la dentine avec et sans finition au laser après préparation de la cavité.
5 MATÉRIEL ET MÉTHODES
Les paramètres spécifiques au mode QSP qui ont produit la morphologie de surface la plus favorable à l’adhésion, c’est-à-dire le moins de dommages thermomécaniques tels que la vitrification, la carbonisation, la formation de fissures ou le détachement de fragments, ont été choisis pour l’étude principale. (Delmé et al. 2006; Carvalho et al. 2005; Delmé & De Moor 2007)
Les paramètres évalués étaient:
• Energie (mJ): 120, 200, 300, 400, 500
• Fréquence (Hz): 10, 12, 15, 20
• Puissance (W): de 1.20 à 6.00, le quotient de la fréquence divisé par la durée de la pulsation
La pression de l’air a été fixée à 4 bars et les cavités ont été préparées avec un angle de 90°
pendant 3 secondes.
Pour cette expérience préliminaire, 6 molaires humaines extraites et sans caries ont été coupées horizontalement en 12 tranches (2 par molaire) de 3 mm d’épaisseur chacune. Chaque tranche a été fixée à un socle pour microscope électronique à balayage (MEB, Microscope XL20, Philips, Eindhoven, The Netherlands) avec du composite (Tetric, Ivoclar Vivadent AG, Schaan, Liechtenstein).
Le mode QSP du laser Er:YAG (H02-N, Lightwalker AT S, Fotona d.d., Ljubljana, Slovenia) (Fig.
1) a été utilisé pour préparer les cavités dans l’émail et la dentine avec la pièce à main non contact (H02-N, Lightwalker AT S, Fotona d.d.) en variant les paramètres mentionnés plus haut. La pièce à main et le socle MEB ont été fixés à un assemblage expérimental permettant de positionner l’échantillon dans les axes x/y/z. (Rizcalla et al. 2012) La morphologie des cavités a été analysée sous MEB à un grossissement de 100x et 1000x.
Pour l’étude principale, 56 troisièmes molaires humaines extraites et sans caries ont été sélectionnées, conservées dans une solution de thymol 0.1% à 4°C jusqu’à utilisation et distribuées aléatoirement en 7 groupes de 8 échantillons chacun.
Après nettoyage intensif, les apices des racines ont été scellés, les dents ont été positionnées dans un socle métallique (Baltec, Balzer, Liechtenstein) et fixées avec de la résine auto-polymérisable
6 (Technovit 4071, Heraeus Kulzer GmbH, Wehrheim, Germany). Pour simuler le fluide dentinaire, un sérum de cheval tamponné au phosphate (PAA Laboratories GmbH, Linz, Austria) a été employé. La solution était introduite dans la dent via un tube métallique de 1.2mm de diamètre inséré dans la chambre pulpaire dans le tiers moyen de la racine. Le tube était maintenu en place par collage (Optibond FL, Kerr Sybron, Danbury, CT, USA) et connecté via un tuyau en silicone à un appareil d’infusion. Cette procédure assure une pression hydrostatique de 25 mm Hg et maintient une pression intra pulpaire stable pendant la préparation cavitaire, le placement de la restauration et le cycle thermomécanique. (Bortolotto et al. 2012)
Une seule cavité a été préparée par dent par un seul opérateur utilisant un laser Er:YAG (Lightwalker AT S, Fotona d.d.) sous microscope opératoire à un grossissement de 12x. Pour la préparation, 2 pièces à main attachées à un bras articulé ont été utilisées (Fig. 2):
• HO2-N (non contact, sans embout, point focal de 0.9 mm, angulé à 90°) maintenu à une distance focale de 10 mm.
• H14-N (embout en fibre optique cylindrique de 1.3 mm de diamètre et 8 mm de long, angulé à 90°) maintenu en contact proche de la surface dentaire (1 mm).
Les cavités ont été préparées sous spray d’eau continu avec le rayon à un angle de 90° sur la surface dentaire. La taille des cavités était de 3 mm de diamètre et 2 mm de profondeur, à 50% dans la dentine et 50% dans l’émail (Bader et Krejci 2006). Les pièces à main et échantillons MEB ont été fixés les uns après les autres sur l’assemblage expérimental, permettant un positionnement précis dans les axes x/y/z. (Rizcalla et al. 2012).
Les groupes testés utilisaient les paramètres suivants (Table 1) :
• Gr. A: mode QSP 300mJ/12Hz pièce à main non contact (HO2-N)
• Gr. B: mode QSP 300mJ/12Hz suivi par une finition 120mJ/12Hz avec HO2-N
• Gr. C: mode QSP 300mJ/12Hz pièce à main contact (H14-N)
• Gr. D: mode QSP 300mJ/12Hz suivi par une finition 120mJ/12Hz avec H14-N
• Gr. E: mode SSP 300mJ/12Hz avec HO2-N
• Gr. F: mode SSP 300mJ/12Hz suivi par une finition 120mJ/12Hz avec HO2-N
• Gr. G: groupe contrôle avec fraise diamantée 80 microns suivie par une finition à 25 microns
7 Dans le groupe contrôle (Gr. G) les cavités ont été préparées avec des fraises à gros grain et grain fin sous irrigation d’air et d’eau (grain size 80 and 25 microns, Cerinlay No 3080.018 FG, Intensiv, Viganello, Switzerland).
Toutes les cavités de classe V ont été restaurées par un seul opérateur avec un système adhésif auto-mordançant à 2 étapes (Clearfil SE Bond, Batch No Primer CA0060; Batch No Bond C60101, Kuraray Medical, Inc., Okayama, Japan) et un composite micro-hybride (Clearfil AP-X, Batch No B70016, Kuraray Medical Inc.) selon les instructions du fabricant. La résine a été placée en 2 couches incrémentales : la première dans la moitié apicale de la cavité sous la jonction émail-cément (JEC) avec une polymérisation de 20 s (Light intensity of 1100mW/cm2, Bluephase, Ivoclar-Vivadent, Schaan, Liechtenstein). La deuxième couche a été placée dans la moitié coronaire et polymérisée de la même manière. (Bader & Krejci 2006)
Les restaurations ont été retouchées, finies et polies avec des disques flexibles abrasifs à base d’oxyde d’aluminium à granulométrie décroissante (Sof-Lex, 3M AG, Seefeld, Germany). La qualité de la finition et du polissage a été contrôlée sous microscope optique (Wild M5, Wild AG, Heerbrugg, Switzerland) à un grossissement de 12x et les disques ont été repassés si nécessaire. Avant le test de fatigue, les échantillons ont été nettoyés au dentifrice (Signal, Unilever, Thayngen, Switzerland) avec une brossette prophylactique (HAWE Miniature Brush, Bioggio, Switzerland, Kerr). Des empreintes des cavités remplies ont été prises avec un matériau VPS (polyvinyl siloxane) (President light, Coltène- Whaledent, Altstätten, Switzerland), lesquelles ont servi à créer des répliques epoxy plaquées or (Epofix, Struers, Rødrove, Denmark). (Bortolotto et al. 2012)
Après la restauration des cavités et la première analyse au MEB, les échantillons ont été soumis à un cycle thermomécanique contrôlé par ordinateur (TML). Ils sont passés par 600000 cycles à une fréquence de 1.7Hz et une force coaxiale occlusale de maximum 49N, exercée par une cuspide linguale de molaire humaine comme antagoniste. Chaque chambre de test présentait une variation de température de 5-50-5°C avec un temps de séjour de 2 minutes. (Krejci et al. 1990) Des empreintes ont été reprises après la fatigue et soumises à une analyse de l’adaptation marginale sous MEB à un grossissement de 200x.
8 Une analyse marginale semi-quantitative de l’interface dent-restauration a été faite avant et après TML en utilisant un module personnalisé programmé avec un logiciel de traitement d’image (Scion Image, Scion Corp., Frederik, MA 21703, USA) dans les zones d'intérêt suivantes : marges émail- composite dans la moitié coronaire de la restauration et marges dentine-composite dans la moitié apicale sous la JEC. Les paramètres suivants ont été évalués :
• Marges continues (MC)
• Marges non-continues “pures” (MNC)
• MNC dues à des fractures amélaires
• MNC dues à des fractures dentinaires
• MNC dues à des fractures de la marge de la restauration
• Marges avec excès et avec manques (Bortolotto et al. 2012)
Les données d’adaptation marginale ont été analysées avec un logiciel statistique (SPSS pour Mac, V 21). Un test ANOVA a été utilisé pour détecter les différences entre les 7 groupes et un test Duncan’s post-hoc a été utilisé pour identifier lesquels de ces groupes étaient différents de manière significative.
9 RÉSULTATS
Les résultats, présentés comme la moyenne du pourcentage de marges continues (MC) avant et après TML pour la longueur de marge totale (LMT) et séparément pour l’émail et la dentine, sont présentés dans les tableaux 2 et 3 et dans les figures 3,4 et 5.
Après la LMT, des différences significatives ont été détectées entre les groupes, avant (p=0,036) et après TML (p=0.000). La marge la moins bonne à la LMT a été observée dans les Gr. E et F (groupes avec SSP). Cette piètre performance était surtout causée par les marges localisées dans la dentine (MC 54,2% (±12.3) et 49% (±15.6) respectivement). Les autres groupes montraient un comportement plutôt homogène et le QSP était aussi efficace que la préparation mécanique. Même si aucune différence d’adaptation marginale n’a été observée entre les cavités avec et sans finition au laser dans les 2 groupes préparés avec la pièce à main non contact, une tendance vers de plus hauts pourcentages d’adaptation marginale sur l’émail et la dentine a été observée pour la préparation avec finition au laser (300mJ/120mJ (MC 90.0% (±6.7) et 91.1% (±8.9), respectivement) en comparaison avec la préparation de cavité sans finition (300mJ (MC 81.0% (±11.6) et 88.3% (±8.3), respectivement).
Parmi les 2 groupes préparés avec la pièce à main en presque contact, il y avait une tendance vers une meilleure adaptation marginale dans l’émail avec 300mJ (MC 96.5% (±4.7) en comparaison avec 300mJ/120mJ (MC 88.1% (±17.2)), sans être significative.
Des images représentant la morphologie amélaire et dentinaire après préparation au laser Er:YAG avec QSP avec différents paramètres opératoires sont montrés dans les Figures 6 et 7. La préparation dans la dentine avec QSP à 120mJ et 300mJ a résulté en une surface sans smear layer, des tubulis dentinaires ouverts, une surface légèrement irrégulière et avec absence de dommages thermiques. La préparation avec QSP à 500mJ a donné une surface très irrégulière avec des microfissures, des particules détachées et des signes de vitrification.
10 DISCUSSION
La morphologie de l’émail et de la dentine après leur préparation par un laser Er:YAG a une grande influence sur la qualité de l’adhésion avec la résine composite de restauration. (Lopes et al.
2015) Le but de cette étude était d’évaluer l’adaptation marginale de restaurations en composite dans des cavités de classe V, préparées avec le nouveau mode Quantum Square Pulse (QSP) d’un laser Er:YAG comparé avec le Super Short Pulse (SSP) et la préparation avec fraise diamantée, ainsi que d’analyser l’effet de la finition de la cavité au laser avec une faible énergie de pulsation. En se basant sur les résultats de la présente étude, la première hypothèse a été rejetée et la seconde acceptée, car des différences significatives dans l’adaptation marginale de la résine composite à l’émail et la dentine ont été relevées entre les modes QSP, SSP et la préparation mécanique alors qu’aucune différence significative d’adaptation marginale n’a été trouvée entre les cavités qui ont reçu une finition ou non après préparation. En outre, aucune différence significative dans l’adaptation marginale de la résine composite à l’émail et la dentine n’a pas été trouvée entre les deux distances d’irradiations.
Des études ont montré que la durée des pulsations et leur énergie sont des facteurs physiques cruciaux pour l’efficacité du laser et la quantité de dommages thermomécaniques sur les tissus dentaires. (Lukac et al. 2004; De Moor & Delmé 2009; Firat et al. 2012) Ces dommages sont réduits avec le mode SSP combiné avec une faible énergie (50μsec, <90mJ), (Gutknecht et al. 2011) mais cette combinaison résulte en une efficacité diminuée et un faible volume d’ablation, ce qui rend le temps de préparation plus long et peu pratique dans certaines situations cliniques (pédodontie, patients anxieux). (Lukac et al. 2012) Le mode QSP a été choisi pour cette étude car il a été démontré qu’il surmonte le problème de la limite de puissance dégagée par des pulsations courtes de faible intensité.
(Gutknecht et al. 2011; Primc & Lukac 2013) Une revue électronique de la littérature a montré qu’il n’y avait pas de données évaluant le comportement des restaurations dans des cavités traitées avec le mode QSP. Cela justifie la raison pour laquelle la présente étude a évalué l’adaptation marginale, dans l’émail et la dentine, de cavités traitées avec un laser Er:YAG avec les modes QSP et SSP et 2 pièces à main différentes, puis restaurées avec un adhésif auto-mordançant et un composite micro-hybride avant d'être soumises à un cycle de charge thermomécanique (TML).
Des cavités de classe V ont été choisies pour cette étude à cause de leur facilité d'exécution, leur reproductibilité et de la possibilité d’avoir des marges dans l’émail et la dentine simultanément.
(Bortolotto et al. 2012) Le TML permet de tester la performance clinique et la résistance au stress d’un matériau dans un environnement oral simulé, reproductible, et dans une durée temps ajustable. (Krejci et al. 1993) L’ouverture des marges, entre le substrat dentaire et le composite, due à un échec de
11 l’adhésion arrive plus fréquemment avec des charges répétées qu’avec les charges élevées qui sont habituellement utilisées dans les tests de force d’adhésion. (Frankenberger et al. 2003; Frankenberger et al. 2005). Ainsi tous les échantillons ont été soumis au TML.
Une adaptation marginale significativement plus faible (MC) a été observée dans la dentine chez les groupes E et F (54.2 % (±12.3) et 49.0 % (±15.6), respectivement) (fig.8). La raison semble être l’état de la morphologie dentinaire après irradiation avec SSP, car le comportement des marges amélaires pour les mêmes groupes était > 80 MC après la charge (MC: 84.2 % (12.5) 82.7 % (11.8), respectivement). Ceci peut être expliqué par la présence d’un nuage de débris plus dense, composé de particules d’hydroxyapatite et de collagène, qui est davantage produit par SSP par rapport à QSP (Gutknecht et al. 2011). Le QSP consiste en une longue pulsation divisée en pulslets courts (pulse quanta) déchargés à une fréquence rapide ne permettant peu ou pas aux nuages de débris de se développer en comparaison avec SSP. (Primc & Lukac 2013) A cause de la faible profondeur de pénétration de l’Er:YAG, ce nuage se forme directement entre le laser et la surface et donc réduit l’efficacité et la précision des préparations, car il absorbe partiellement l’énergie des pulsations, puis diffuse et dévie le rayon de la zone de travail. (Diaci et al. 2013) Selon Lukac et al, la diffusion produite par SSP est responsable de la formation d’une surface dentinaire irrégulière. (Lukac et al. 2012) Cette dernière est générée par la protrusion des tubulis dentinaires: la dentine intertubulaire est plus hydratée et plus riche en collagène que la dentine péritubulaire, d’où une différence d’ablation tissulaire par les micro-explosions de vapeur. (Aoki et al. 1998, Kataumi et al. 1998 ; De Moor et al.
2009) Ces explosions sont produites quand l’eau contenue dans l’émail et la dentine augmente rapidement de volume et se vaporise; un processus appelé ablation thermo-mécanique, qui permet aux lasers Er:YAG de retirer les tissus dentaires. (Hibst 2002) Cependant, Travelin et al. ont suggéré, suite à leur étude au MEB, que la plus grande irrégularité de surface générée par le SSP donnait une plus grande surface, idéale pour l’adhésion. (Travelin et al. 2015)
La déviation du rayon peut aussi provoquer un réchauffement incontrôlé de la zone irradiée, car la puissance des pulsations aux extrémités du rayon passe sous le seuil d’ablation. (Gutknecht et al. 2011, Lukac et al. 2012) Même s’il a été démontré que le SSP présentait le moins de diffusion de chaleur par rapport à d’autres modes, (Lukac et al. 2004) la plupart de l’énergie étant utilisée pour l’ablation, la diffusion reste un problème quand des énergies élevées sont utilisées à cause de la plus grande densité du nuage de débris. (Lukac et al. 2012) Ainsi, des énergies plus élevées vont induire plus d’irrégularités car plus de dentine intertubulaire est retirée et il y a plus de vitrification (un processus où l’apatite est recristallisée et une phase de phosphate de calcium est formée) dans l’émail et la dentine. (de Carvalho RW et al. 2005; Delmé & De Moor 2006) L'énergie thermique excédentaire
12 peut aussi dénaturer le collagène dans la dentine, causant une fusion et le détachement des fibres de collagène, qui réduira la pénétration de la résine au-dessous de la dentine intertubulaire et donc résultera en une couche hybride insuffisante. (Ceballos et al. 2002; Malta et al. 2008) L’épaisseur de la couche hybride peut augmenter à cause de ces dommages, résultant en une exposition réduite des fibres de collagène non dénaturées restantes. (De Munck et al. 2002) De plus, en raison de la nature élastique de la dentine, des pulsations courtes comme le SSP génèrent une expansion thermique et une contraction des fragments enlevés, provoquant un stress élastique qui est responsable des fissures et fractures sur la surface dentinaire, ce qui impacte négativement la formation de la couche hybride et la force d’adhésion des systèmes adhésifs. (Fried et al. 1998 ; Staninec et al. 2009; Baraba et al.
2013) L’étude de Lukac et al. a démontré que le mode QSP montre une baisse significative des vibrations comparé au SSP (d’un facteur >4) et une diminution du dessèchement des tissus en raison d’une exposition thermique réduite. (Lukac et al. 2016)
La faible adaptation marginale dans la dentine irradiée par SSP peut aussi être expliquée par les altérations dans les chaînes aliphatiques du collagène, observées dans la dentine en utilisant des pulsations courtes. (Camerlingo et al. 2004) De plus, Baraba et al. ont montré une diminution de la force d’adhésion d’un adhésif auto-mordançant quand le SSP a été utilisé (80mJ et 10Hz) en comparaison avec une durée de pulsations plus longue. Ce qui, selon l’étude, serait dû aux changements chimiques dans la dentine suite au traitement par SSP. (Baraba et al. 2013)
L’adaptation marginale avec l’émail n’était pas aussi problématique qu’avec la dentine pour les groupes préparés avec SSP. La raison pourrait être le fait que la conduction thermique et le module d’élasticité de l’émail sont plus élevés que ceux de la dentine, le rendant ainsi plus résistant aux dommages thermomécaniques générés par l’irradiation avec laser Er:YAG. (Hibst & Keller 1989; Lin et al. 2010) Selon plusieurs études, l’irradiation laser de l’émail enlève ou expose ses prismes; une modification qui affecte l’adhésion de manière minimale car les études ayant étudié la qualité de l’adhésion sur l’émail irradié par Er:YAG ont montré des résultats positifs. (Freitas et al. 2007; Lopes et al. 2015)
Dans la présente étude, le % de MC, pour tous les groupes traités au laser et avec une fraise, était élevé (>80%) pour l’émail et la dentine. Le QSP semble avoir les mêmes avantages que les pulsations de longue durée et que la fraise diamantée en termes d’efficacité, et que les pulsations de courte durée en termes de précision et absence de dommages thermiques. (Baraba et al. 2016) Ceci pourrait expliquer les raisons pour lesquelles le QSP était aussi efficace que la fraise diamantée dans la préparation de l’émail et de la dentine.
13 La finition au laser avec QSP n’a pas montré davantage sur l’adaptation marginale dans l’émail et la dentine. Une tendance a été observée vers de plus hauts pourcentages d’adaptation marginale dans l’émail préparé sans finition au laser (Groupe C) et dans la dentine en utilisant le QSP avec finition au laser (Groupe B). Comme suggéré par Bahrami et al, la finition au laser avec une faible énergie pourrait contribuer à enlever ou réduire l’épaisseur des couches superficielles de dentine qui affectent négativement la formation de la couche hybride. (Bahrami et al. 2011) Pourtant, l’étude de Delmé et De Moor a montré que la finition des surfaces amélaires et dentinaires au laser adoucissait les irrégularités de surface, ce qui diminuait les rétentions et donc l’adaptation marginale. Des résultats contradictoires existent toujours aujourd’hui concernant la finition, parfois appelée “mordançage laser”, au laser Er:YAG avant l’adhésion, probablement à cause des différents protocoles utilisés entre les études. Il a été montré que les dommages thermiques sur l'émail modifient sa structure minérale, ce qui augmente sa résistance au mordançage avec un acide. (Correa-Afonso et al. 2010) Le
“mordançage laser” avec QSP a montré moins d’infiltrations que le mordançage acide conventionnel.
(Donmez et al. 2013) Il a aussi été observé que le QSP avait des meilleures valeurs de force d’adhésion que le groupe avec mordançage classique, ce qui est dû à une plus haute rugosité de surface, donc plus de rétentions micromécaniques qui donnent une meilleure adhésion. (Sagir et al. 2013) Cette découverte a été confirmée par Usumez qui a trouvé que les meilleurs résultats pour la résistance à la rupture d’adhésion étaient obtenus par le groupe QSP à basse énergie et avec faible irrigation d’eau.
(Usumez 2013) De plus, l’irradiation avec QSP augmente la force d’adhésion des adhésifs auto- mordançants. (Akin et al. 2016) Les études citées plus haut n’ont pas évalué d'énergies et de fréquences au-dessus de 120mJ et 10Hz, ainsi, il n'est pas possible de faire une comparaison directe avec la présente étude, montrant une bonne adaptation marginale à 300mJ et 12Hz.
Cette étude n’a pas trouvé de différences significatives entre les pièces à main à contact proche et non contact pour ce qui est de l’adaptation marginale avec l’émail et la dentine. A pulsations avec énergie égale de 300 mJ, il y avait une tendance vers une meilleure adaptation dans l’émail préparé avec la pièce à main de contact en QSP sans finition (Groupe C). Il y avait aussi une tendance vers une meilleure adaptation dans la dentine avec la pièce à main non contact avec finition (Groupe A).
Il est déjà connu, par des études précédentes, que la distance entre le rayon et la surface irradiée (contact ou non-contact) a une grande influence sur les morphologies amélaires et dentinaires. (de Carvalho RW et al. 2005; Chimello-Sousa et al. 2006; Correa-Afonso et al. 2010) La surface dentinaire irradiée avec le mode non contact paraît plus lisse et homogène. (de Carvalho RW et al. 2005) Il a été rapporté qu’avec l’augmentation de la distance d’irradiation, le diamètre du rayon
14 augmente et il y a une dissipation d’énergie sur une surface plus grande, donc une diminution d’efficacité d’ablation. (Chimello-Sousa et al. 2006)
Cette étude est la première à affirmer la performance du QSP pour la préparation et la finition de cavités pour restaurations de classe V, donc une comparaison avec la littérature existante n’est pas possible à cause de l’utilisation de méthodologies différentes. En outre, chaque appareil à émission laser Er:YAG fonctionne en utilisant des paramètres différents, tels que le système de distribution du rayon et la longueur d’onde. Par conséquent les paramètres utilisés dans cette étude ne sont pas applicables aux autres lasers Er:YAG. Des études complémentaires seront nécessaires pour évaluer d’autres paramètres de laser Er:YAG (comme la fréquence d’impulsion, la pression de l’air) afin d’optimiser le temps opératoire sans compromettre la qualité de l’adhésion et de confirmer les observations de la présente étude dans un cadre clinique.
15 CONCLUSION
Basées sur les résultats de la présente étude et en tenant compte des limitations des études in-vitro, les conclusions suivantes ont été faites :
• La préparation de cavités en une étape avec QSP (300mJ sans finition) et avec les paramètres opératoires utilisés dans cette étude ont démontré une haute qualité d’adaptation marginale dans les restaurations de classe V, dans l'émail et la dentine, avant et après TML.
• Aucune différence significative dans la qualité d’adaptation marginale n’a été trouvée entre les cavités préparées au QSP et à la fraise, dans l'émail et la dentine, avant et après TML.
• SSP pourrait ne pas être approprié pour la préparation et la finition de cavités dans la dentine avant de faire l’adhésion.
Implications cliniques
Le laser Er:YAG en mode QSP représente une alternative intéressante à la préparation conventionnelle à la fraise quand il s‘agit de préparation de cavités de classe V restaurées avec un adhésif auto- mordançant et résine composite. De plus, l’utilisation de 2 étapes distinctes, la préparation suivie par la finition, pourrait ne plus s’avérer nécessaire en utilisant le mode QSP avec un laser Er:YAG, quel que soit le type de pièce à main utilisée (contact ou non contact), permettant ainsi de réduire le temps clinique sans compromettre l’adaptation marginale.
16 PARTIE ANGLAISE
Marginal adaptation in enamel and dentin of mixed class V composite restorations in cavities prepared by a Quantum Square Pulse (QSP) Er:YAG laser
ABSTRACT
Objectives: To evaluate the marginal adaptation of mixed class V composite restorations in cavities prepared with the new highly efficient Quantum Square Pulse (QSP) mode Er:YAG laser (LightWalker, Fotona), compared to Super Short Pulse (SSP) mode, and diamond bur preparation. The impact of Er:YAG laser finishing with low pulse energy and two irradiation distances was also evaluated.
Materials and Methods: 56 extracted caries-free human third molars were randomly distributed into 7 equal groups (n=8) where mixed Class V cavities were prepared in enamel and dentin according to the following procedures: (Gr. A) QSP, no finishing (F), non-contact handpiece (NC); (Gr. B) QSP, F, NC;
(Gr. C) QSP, no F, contact handpiece (C); (Gr. D) QSP, F, C; (Gr. E) SSP, no F, NC (Gr. F) SSP, LE, C (Gr. G) Diamond bur, control group. All cavities were restored with Clearfil SE Bond (Kuraray) and Clearfil AP- X (Kuraray) composite under dentinal fluid simulation. SEM marginal adaptation analysis at 200x magnification was performed on replicas before and after thermo-mechanical cyclic loading (TML) in order to determine the percentage of continuous margins (i.e. from 0 to 100% of gap free margins).
The differences between groups were analyzed with 1-way ANOVA and Duncan post hoc test.
Results: Dentin surfaces treated with SSP showed significantly lower percentages of “continuous margin” (Grs. E and F; 54.2(±12.3) and 49.0(±15.6), respectively) than the QSP and control groups. No significant differences in % "continuous margin" were detected for QSP laser prepared cavities in comparison to bur prepared cavities, both in enamel and dentin, before and after loading.
Conclusions: SSP is less suitable for cavity preparation and finishing of dentin prior to adhesive restoration. The preparation/finishing protocol may no longer be necessary when using the QSP mode, reducing clinical time without compromising marginal adaptation.
17 INTRODUCTION
Dental tissue preparation is a delicate balance between preservation and efficient time management in the dental practice. (Majd et al. 2012) For decades, dental research has explored ways to achieve micro-invasive caries treatment, improve patient comfort and minimize thermal and mechanical damage to the remaining dental hard tissue. (Decup & Lasfargues 2014) Er:YAG lasers have been used by clinicians for cavity preparation as an alternative to a classical mechanical bur due to certain advantages such as reduced perception of pain and vibrations, bactericidal effect on the target tissues, as well as the versatility of clinical applications. (Bader & Krejci 2006) The emitted wavelength of Er:YAG localized in the infrared spectrum (2.94μm) matches the absorption peak of water and also highly that of hydroxyapatite, making it an excellent tool and also the most efficient type of commercially available laser for localized preparation of dental hard tissue. (Zharikov et al. 1974;
Perhavec & Diaci 2008)
The interaction between the Er:YAG laser irradiation and hard dental tissue during cavity preparation depends on the water content of target tissues (ex. caries-free or demineralized enamel or dentin), and on the laser operating parameters such as: pulse duration, pulse energy, repetition rate, irradiation distance, presence or absence of water spray, water quantity and air pressure. (Parker 2007; Corona et al. 2008; Rizcalla et al. 2012) Depending on parameters used, energy applied to the tooth surface during ablation can induce a temperature rise in the irradiated tissue layer and in the surrounding tissues, inducing various chemical, physical and morphological changes. (Moretto et al.
2011; Hossain et al. 2003)
In the Variable Square Pulse (VSP) technology the Er:YAG laser pulse duration can be adjusted from 1,000 μs (Very Long Pulse) to 600 μs (Long Pulse), 300 μs (Short Pulse), 100 μs (Very Short Pulse) or 50μs (SSP for Super Short Pulse), allowing for treatment speeds similar or greater than the mechanical handpiece. (Lukac et al. 2007; Baraba et al. 2012) Studies have shown that as laser pulse duration decreases, the ablation efficiency increases; where pulses < 110 μs have been shown to reduce the amount of conductive heat loss. (Majaron et al. 1998; Lukac et al. 2004) The newest addition to the series is the Quantum Square Pulse (QSP), where a pulse is divided into short pulslets (pulse quanta) resulting in an extremely short interaction time with the irradiated tissue and yielding a considerably higher ablation efficiency in human enamel by a factor of 1.4, higher precision and better defined cavity margins in comparison to SSP for the same pulse power. (Primc & Lukac 2013)
18 Thermal damage of tissues is limited when the laser pulse power is high and the pulse durations are low, as the ablation speed is greater than the rate of heat diffusion into the irradiated tooth layer, thus ensuring a “cold type” of ablation. (Krmek et al. 2010) It has become common practice to first use high-intensity laser pulses to prepare a cavity and then “finish” the cavity surface with a lower intensity. (de Carvalho RW et al. 2005; De Moor & Delmé 2006; Lopes et al. 2015) Laser finishing requires more clinical time and contradictory results still exist today in terms of its effect on enamel and dentin morphology. (Delmé & De Moor 2007; Bahrami et al. 2011; Akin et al. 2016). On the other hand, hard tissue preparation with high energy pulses creates microfractures particularly in enamel, which may successfully be removed with laser finishing by applying low energy pulses. (Bader & Krejci 2006)
Since the Er:YAG laser handpiece does not have direct contact with enamel or dentin surface, manufacturers propose contact (low distance) and non-contact handpieces which are characterized by different distances between the laser beam and the irradiated surface. (Shirani et al. 2014) In general, as the irradiation distance from the focal point increases, the beam diameter also increases therefore dissipating energy over a greater surface area and thus decreasing the laser ablation efficiency. (Chimello-Sousa et al. 2006)
The laser operating parameters mentioned above influence the structural integrity of the target tissue, which may have an incidence on the bonding ability of adhesive systems as well as the durability of composite resin restorations. (Gimbel 2000; Schein et al. 2003; Esteves-Oliveira et al.
2007) Reduced marginal adaptation between composite resin and dental substrate may lead to secondary caries formation which is the most commonly reported cause for restoration replacement.
(Jokstad 2016)
Therefore, the interest of the present study was to evaluate the integrity of marginal adaptation of mixed class V restorations which had their cavities treated with the Er:YAG laser in SSP and QSP modes in comparison to diamond bur preparation, restored with a self-etching adhesive and a micro-hybrid composite and submitted to thermo-mechanical cycling. The first null hypothesis tested was that there would be no difference in marginal adaptation of composite resin to enamel and dentin between the QSP and SSP laser modes and conventional bur preparations. The second null hypothesis tested was that there would be no difference in marginal adaptation between Er:YAG finishing of enamel and dentin after cavity preparation compared to no finishing.
19 MATERIALS AND METHODS
The parameters specific to the Er:YAG laser in the QSP mode that produced the most favorable surface morphology for adhesion, i.e. lowest thermo-mechanical structural damage such as vitrification, carbonization or charring, crack formation or particle detachment were chosen for the main study. (Delmé et al. 2006; Carvalho et al. 2005; Delmé & De Moor 2007) The parameters evaluated were:
- Pulse energy (mJ): 120, 200, 300, 400, 500 - Frequency (Hz): 10, 12, 15, 20
- Power (W): from 1.20 to 6.00, as a quotient of pulse energy divided by pulse duration
The air pressure was maintained at 4 bars and the cavities were prepared at a 90° angle for 3 seconds.
For this preliminary experiment, 6 extracted caries-free human third molars were cut horizontally into 12 slices (2 slices per molar) of 3mm thickness each. Each slice was fixed onto a Scanning Electron Microscope (SEM, Microscope XL20, Philips, Eindhoven, The Netherlands) holder with composite resin (Tetric, IvoclarVivadent AG, Schaan, Liechtenstein).
The QSP mode of the Er:YAG laser (Lightwalker AT S, Fotona d.d., Ljubljana, Slovenia) (Fig. 1) using the non-contact dental handpiece (H02-N, Lightwalker AT S, Fotona d.d.) was used to prepare cavities on enamel and dentin by altering the above parameters. The laser handpiece and the SEM holder were fixed onto an experimental assembly allowing position regulation in the x/y/z dimensions.
(Rizcalla et al. 2012) The cavities were subjected to SEM observation of the micromorphology of the samples at x100 and x1000 magnification.
For the main study, 56 extracted caries-free human third molars were selected following local institution guidelines, stored in 0,1% thymol solution at 4°C until use and then randomly distributed into 7 groups containing 8 specimens each.
Upon thorough debridement, the apices were sealed, the teeth were positioned in the middle of a metallic holder (Baltec, Balzer, Liechtenstein) and fixed into cold polymerizing resin (Technovit 4071, Heraeus Kulzer GmbH, Wehrheim, Germany). In order to simulate dentinal fluid flow, 1:3 phosphate- buffered saline (PBS)-horse serum was used (PAA Laboratories GmbH, Linz, Austria). The solution was delivered to the tooth via a 1.2 mm diameter metal tube inserted through a cylindrically drilled access
20 hole into the pulp chamber at the middle third of the root. The tube was held in place by adhesive luting (Optibond FL, Kerr Sybron, Danbury, CT, USA) and connected via a silicone hose to an infusion apparatus. This procedure ensures a hydrostatic pressure of 25 mm Hg and maintains a stable intra- pulpal pressure during cavity preparation, restoration placement, finishing and thermo-mechanical loading. (Bortolotto et al. 2012)
One class V cavity was prepared per tooth by one single operator using an Er:YAG laser (Lightwalker AT S, Fotona d.d.) under a stereoscopic microscope at a 12x magnification. For cavity preparation, 2 types of dental handpieces attached to an articulated arm were used (Fig. 4):
• H02-N (non-contact, tip-less, 0.9 mm spot size at the focal point, angled at 90°) was kept at a focal distance of 10 mm.
• H14-N (1.3 mm diameter, 8 mm long cylindrical fiber-optic tip, angled at 90°) kept at a near contact distance from the tooth surface (1 mm).
The cavities were prepared under a continuous water and air spray integrated into the handpieces, with the beam directed at 90° to the tooth surface. The cavity dimensions were of 3 mm diameter and 2 mm depth, located 50% in enamel and 50% in dentin (Bader & Krejci 2006). The laser handpieces and SEM holders were fixed one by one onto an experimental assembly allowing an accurate position regulation in the x/y/z dimensions. (Rizcalla et al. 2012) (Figure 5)
The test groups consisted on the following preset parameters (Table 1):
• Gr. A: QSP mode 300mJ/12Hz with a non-contact handpiece (H02-N)
• Gr. B: QSP mode 300mJ/12Hz followed by 120mJ/12Hz finishing with a H02-N
• Gr. C: QSP mode 300mJ/12Hz with contact handpiece (H14-N)
• Gr. D: QSP mode 300mJ/12Hz followed by 120mJ/12Hz finishing with a H14-N
• Gr. E: SSP mode 300mJ/12Hz with a H02-N
• Gr. F: SSP mode 300mJ/12Hz followed by 120mJ/12Hz finishing with a H02-N
• Gr. G: Diamond bur control group, 80 microns followed by 25 microns finishing
In the control group (Gr. G), the cavities were prepared using coarse and fine diamond burs under water and air spray cooling. (grain size 80 and 25 microns, Cerinlay No 3080.018 FG, Intensiv, Viganello, Switzerland)
21 All class V cavities were restored by one single operator with a two step self-etch adhesive system (Clearfil SE Bond, Batch No Primer CA0060; Batch No Bond C60101, Kuraray Medical, Inc., Okayama, Japan) and a micro-hybrid composite (Clearfil AP-X, Batch No B70016, Kuraray Medica, Inc,) composite following the manufacturer’s instructions. The composite was placed in two incremental layers: first layer was placed in the apical half of the cavity below the cement-enamel junction (CEJ) and after light polymerization for 20 s (Light intensity of 1100mW/cm2, Bluephase, Ivoclar-Vivadent, Schaan, Liechtenstein) the second increment was placed at the coronal half and polymerized in the same way.
(Bader & Krejci 2006)
The restorations were contoured, finished and polished using abrasive flexible aluminum-oxide discs with descending granulometry, from the coarsest to the finest grains (Sof-Lex, 3 M AG, Seefeld, Germany). The quality of finishing and polishing was assessed under a stereoscopic microscope with a 12x magnification (Wild M5, Wild AG, Heerbrugg, Switzerland) and the discs were reapplied if necessary. Before the fatigue test, the samples were cleaned with toothpaste (Signal, Unilever, Thayngen, Switzerland) and a prophy brush with (HAWE Miniature Brush, Bioggio, Switzerland, Kerr).
Impressions of the filled cavities were taken with a polyvinyl siloxane (VPS) material (President light, Coltène-Whaledent, Altstätten, Switzerland), which served to create gold-coated epoxy replicas (Epofix, Struers, Rødrove, Denmark). (Bortolotto et al. 2012)
After cavity restoration and first SEM analysis, the samples were subjected to a computer controlled thermo-mechanical cyclic loading (TML). The samples underwent 600,000 cycles at a 1.7Hz frequency and a maximum of 49N of axial occlusal force exerted by an antagonist human molar lingual cusp. Each testing chamber provided a variation in temperature of 5-50-5°C with a dwell time of 2 minutes. (Krejci et al. 1990)
22 Impressions were taken again after fatigue and submitted to SEM marginal adaptation analysis at 200x magnification. A semi-quantitative marginal analysis of the tooth-restoration interface was undertaken before and after TML using a custom-made module programmed with an image processing software (Scion Image, Scion Corp., Frederik, MA 21703, USA) in the following regions of interest:
enamel-composite margins at the coronal half of the class V restoration, and dentin-composite margins in the apical half below the CEJ. (Bortolotto et al. 2012) The following parameters were studied:
• continuous margin (CM),
• “pure” non-continuous margin (NCM),
• NCM due to enamel fractures,
• NCM due to dentin fractures,
• NCM due to marginal restoration fracture,
• overfilled and under-filled margins.
Data of marginal adaptation was analyzed with statistical software (SPSS for Mac, V21). 1-way ANOVA was used to detect differences between the 7 groups and Duncan post-hoc test was used to identify which groups were significantly different. The level of confidence was set to 95%. (Bortolotto et al. 2012)
23 RESULTS
The results, presented as the mean percentage of continuous margins (CM) before and after thermo-mechanical cyclic loading for the total margin length (TML) and for enamel and dentin margins separately as well, are shown in Tables 2 and 3 and in Figures 3,4 and 5.
After TML, significant differences were detected between the groups, both before (p=0,036) and after loading (p=0,000). The worst marginal behavior at the TML was observed in gr E and F (SSP groups), and this poorer performance was mainly due to the margins located in dentin (CM 54.2%
(±12.3) and 49.0 % (±15.6), respectively). The other groups had a rather homogeneous behavior, and QSP was as effective as bur preparation. Even if no significant differences in marginal adaptation were observed between laser finishing and no finishing in the two QSP laser groups prepared with the non- contact handpiece, a trend was observed towards higher percentages of marginal adaptation on enamel and dentin with laser preparation followed by laser finishing (300mJ/120mJ (CM 90.0 % (±6.7) and 91.1 % (±8.9), respectively) compared to cavity preparation with no finishing (300mJ only (CM 81.0
% (±11.6) and 88.3 % (±8.3), respectively). Among the two QSP laser groups prepared with the contact handpiece, there was a trend towards better marginal adaptation in enamel with 300mJ only (CM 96.5
% (±4.7)) compared to 300mJ/120mJ (88.1 % (±17.2)), without being significant.
Representative images of dentin and enamel morphology following QSP Er:YAG preparation with different operating parameters are shown in Figures 6 and 7. Preparation in dentin with QSP at 120mJ and 300mJ resulted in a smear layer free surface, open dentinal tubules, slightly irregular surface and absence of thermal damage. Preparation with QSP at 500mJ resulted in a highly irregular surface with micro-cracks, ablated particle detachment and signs of vitrification.
24 DISCUSSION
Enamel and dentin morphology following cavity preparation with an Er:YAG laser has a strong influence on the quality of adhesion to composite resin restorations. (Lopes et al. 2015) The purpose of this study was to evaluate the marginal adaptation of mixed class V composite restorations in cavities prepared with the new Quantum Square Pulse (QSP) mode Er:YAG laser compared to Super Short Pulse (SSP) mode, and diamond bur preparation as well as analyze the impact of Er:YAG laser finishing with low pulse energy. Based on the results of this study, the first null hypothesis had to be rejected as significant differences in marginal adaptation of composite resin to enamel and dentin were detected between the QSP and SSP laser modes and conventional bur preparations, and the second null hypothesis had to be accepted, as no significant differences in marginal adaptation were found between Er:YAG laser finishing of enamel and dentin after cavity preparation compared to no finishing in the QSP mode. Furthermore, the use of contact and non-contact handpieces (i.e. two different distances of irradiation) in QSP mode showed no statistically significant differences in marginal adaptation in both enamel and dentin.
Studies have shown that pulse duration and energy are crucial physical factors in terms of laser efficiency and the degree of thermo-mechanical damage to dental hard tissue. (Lukac et al. 2004; De Moor & Delmé 2009; Firat et al. 2012) This damage is reduced when the Er:YAG laser operates at super short pulse duration (SSP, 50 μsec) combined with low pulse energy (<90 mJ). (Gutknecht et al. 2011) However, this combination results in reduced efficiency, low ablation volume and a slow preparation time which may be unsuitable in certain clinical indications (ex. pediatric dentistry, anxious patients).
(Lukac et al. 2012) The QSP mode of the Er:YAG was chosen for this study as it has been shown to overcome the output power limitation of low intensity short pulses. (Gutknecht et al. 2011; Primc &
Lukac 2013) An electronic search of existing scientific literature revealed that no data existed on the behavior of composite resin restorations placed in real cavities with margins in enamel and dentin following full treatment (preparation and finishing) with a QSP mode of the Er:YAG laser. This justifies why the present study evaluated the marginal adaptation on enamel and dentin of mixed class V cavities treated with Er:YAG laser in QSP and SSP modes, using contact and non-contact hand pieces and two preparation protocols, then restored with a self-etch adhesive system and a micro-hybrid composite and submitted to thermo-mechanical cycling loading.
Mixed Class V cavities were chosen for this study due to the ease of execution, reproducibility and the ability to evaluate the marginal adaptation on enamel and dentin simultaneously. (Bortolotto
25 et al. 2012) In vitro thermo-mechanical loading (TML) is able to test a material’s clinical performance and stress resistance in a standardized simulated oral environment and in adjustable time frame (Krejci et al. 1993). Gap formation due to an adhesive failure between the tooth substrate and composite resin interface occurs more frequently due to repeated sub-catastrophic loading than to the high loads that are usually applied in bond strength tests. (Frankenberger et al. 2003; Frankenberger et al. 2005) Therefore, all samples were subjected to TML.
A significantly lower marginal adaptation in terms of “continuous margins” (CM) in dentin after TML was observed in SSP groups E and F (54.2 % (±12.3) and 49.0 % (±15.6), respectively) (fig.8). The morphology of dentin following irradiation with SSP seems to be the reason, as the marginal behavior of enamel margins for the same groups E and F was above 80% CM after loading (CM: 84.2 % (12.5) 82.7 % (11.8), respectively). This may be explained by a greater debris cloud, consisting of ablated particles such as hydroxyapatite and collagen, produced by SSP in comparison to QSP. (Gutknecht et al. 2011) QSP has a long laser pulse divided into short pulslets (pulse quanta) discharged at an optimally fast rate allowing little or no debris cloud to develop, in comparison to the standard single pulses of 50 μsec duration generated by SSP where some debris cloud is formed between pulses. (Primc & Lukac 2013) Due to the Er:YAG low penetration depth, this cloud is formed directly between the irradiated surface and the Er:YAG laser reducing the laser’s efficiency and precision of cavity preparations by partially absorbing the pulse energy as well as scattering and deviating the emitted laser beam from the working site. (Diaci et al. 2013) According to the study by Lukac et al. (2012), scattering produced by SSP is responsible for the formation of an irregular dentin surface. Surface irregularity may be expressed by the protrusion of dentinal tubules as the highly hydrated and collagen-rich intertubular dentin is removed to a greater extent than the peritubular dentin, and to the scaly superficial surface layer where collagen fibrils are melted and vaporized through micro-explosions (Aoki et al. 1998, Kataumi et al. 1998; De Moor et al. 2009) The micro-explosions are produced when the water content of enamel and dentin rapidly expands in volume and vaporizes; a process called thermo-mechanical ablation by which Er:YAG lasers operate to remove dental hard tissue. (Hibst 2002) On the contrary, Trevelin et al. (2015) suggested following their SEM study that the greater surface irregularity generated by SSP provided a micro-retentive pattern and a greater surface area for successful adhesion.
Deviation of the laser beam may also result in uncontrolled heating of the irradiated area as the pulse power at the edges of the beam is reduced to or below the ablation threshold. (Gutknecht et al. 2011, Lukac et al. 2012) Although SSP mode was shown to have the least effect of heat diffusion in comparison to VSP, SP, LP and VLP (Lukac et al. 2004) as most of the energy is used for ablation,
26 scattering is still an issue even for SSP when high pulses energies are used due to the increased dynamics and density of the debris cloud. (Lukac et al. 2012) Therefore, increased ablation energies will induce more irregularities as greater amount of intertubular dentin is removed as well as vitrification or glazing on the enamel and dentin surfaces (a process where apatite is recrystallized and an additional phase of calcium phosphate is formed) as more thermal energy is released. (de Carvalho RW et al. 2005; Delmé & De Moor 2006) Excess thermal energy may also induce denaturation of dentinal collagen, causing fusion and detachment of collagen fibrils which may restrict resin diffusion into the subsurface intertubular dentin resulting in insufficient and irregular hybrid layer formation.
(Ceballos et al. 2002; Barceleiro et al. 2005; Malta et al. 2008) Hybrid layer thickness may be increased due to this subsurface damage, resulting in reduced exposure and hybridization of the remaining non- denatured collagen fibrils, leading to adhesive failure. (De Munck et al. 2002) In addition, due to the elastic nature of dentin, short waves such as SSP generate thermal expansion and recoil of ablated fragments, triggering stressful elastic waves which are responsible for the cracks and fractures on the irradiated dentin surface and subsurface, negatively impacting the hybrid layer formation and the bond strength of adhesive systems. (Fried et al. 1998; Staninec et al. 2009; Baraba et al. 2013) The study by Lukac et al. (2016) demonstrated that the QSP mode yields a significant decrease in vibrations when compared with SSP (by a factor greater than 4) as well as a decrease in “tissue desiccation” due to reduced thermal deposition. (Lukac et al. 2016)
The poor marginal adaptation in dentin irradiated with SSP may also be explained by the alterations in the collagen aliphatic chains observed in the organic component of dentin when shorter pulses are used, leading to modified interaction properties with restorative materials. (Camerlingo et al. 2004) On the other hand, the same study found that very long pulses (VLP) create chemical microenvironments similar to those obtained with a conventional bur. (Camerlingo et al. 2004) Furthermore, Baraba et al. (2013) showed a decrease in microtensile bond strength of a self-etch adhesive when SSP was used (80mJ and 10Hz) in comparison to longer pulse length MP and SP, which according to the study may be due, among other reasons, to the chemical modifications in dentin following SSP treatment causing the disruption of the chemical bond between the acidic monomers and the organic and inorganic components of dentin. (Baraba et al. 2013)
The marginal adaptation in enamel was not as problematic as in dentin for both groups prepared with SSP. The reason may be that thermal diffusivity (TD) and Young’s modulus of enamel are ∼2.5 and ∼4 times higher than that of dentin, respectively, making it more resistant to thermal denaturation, cracking and other thermal stresses generated by Er:YAG irradiation. (Hibst & Keller 1989; Lin et al. 2010) According to studies, Er:YAG irradiation of enamel leads to the exposure and/or
27 removal of prisms; a modification which minimally affects adhesion to composite resin as studies examining the quality of bonding in Er:YAG irradiated enamel to adhesive materials showed positive results. (Freitas et al. 2007)
In this study, %CM for all the QSP laser and bur treated groups was high (over 80%) for both enamel and dentin and displayed a homogeneous behavior. QSP seems to have the same advantages as long duration pulses and mechanical drill in terms of efficiency and as short duration pulses in terms of precision and minimal thermal damage. (Baraba et al. 2016) This could explain why in this study QSP was as effective as bur preparation in enamel and dentin.
Laser finishing showed to have no significant beneficial effect on marginal adaptation in both enamel and dentin for all Er:YAG treated groups if using QSP. A trend was observed towards higher percentages of marginal adaptation on enamel prepared using QSP without laser finishing (Group C) and on dentin using QSP with laser finishing (Group B). As suggested by Bahrami et al. (2011), laser finishing at a low pulse energy may contribute to the removal or reduction in thickness of the thermally affected superficial and basal layers in dentin which negatively impact the hybrid layer formation as discussed above. (Bahrami et al. 2011) Although, the study by Delmé and De Moor (2007) showed that Er:YAG laser finishing of enamel and dentin surfaces resulted in smoothening of the irregularities which created a less retentive surface and reduced marginal adaptation. Contradictory results still exist today with regard to Er:YAG laser finishing, sometimes called as “laser etching” on enamel prior to adhesion, probably due to the different protocols used between studies. Thermal energy released following Er:YAG irradiation on enamel was reported to induce chemical and structural modifications in the mineral components increasing enamel’s resistance to acid demineralization. (Correa-Afonso et al.
2010) Concerning “laser etching” specifically with QSP, it was shown to yield less microleakage than conventional acid-etching and MSP mode when used at 1,2 watts/10Hz. (Donmez et al. 2013) QSP also gave significantly higher SBS values than the chemically acid-etched group and according to the authors, this is because the QSP group had higher surface roughness values thus promoting greater micromechanical attachment and therefore, a more successful adhesion of composite resin. (Sagir et al. 2013) The finding was confirmed by Usumez, who found that the highest μTBS result was achieved in the QSP low-energy output and low water cooling applied group. (Usumez 2013) Moreover, Er:YAG laser irradiation with QSP mode (120mJ/10Hz) was shown to increase the SBS of self-etch adhesives.
(Akin et al. 2016) The above studies have not evaluated pulse energy 120mJ and frequency above 120mJ and 10Hz, respectively, except the study by Usumez who has evaluated 200mJ), therefore, direct comparison cannot be made with the results of the present study showing good marginal adaptation at 300mJ and 12Hz.
28 Although previous studies have shown that the distance between the beam output and the irradiated surface (contact or noncontact mode of irradiation) may have an influence on enamel and dentin morphology (de Carvalho RW et al. 2005; Chimello-Sousa et al. 2006; Correa-Afonso et al. 2010), the present study found no significant differences between contact and non-contact mode of irradiation with the QSP mode in terms of marginal adaptation in enamel and dentin.
As this is the first study to assess the performance of QSP for cavity preparation and laser finishing in cavity preparations of real class V restorations, comparison with existing literature is not possible due to the use of different methodologies. In addition, every Er:YAG emitting device operates with different parameters, such beam delivery equipment and pulse length, therefore the parameters used in this study may not be applied to other Er:YAG lasers. Further studies are needed to evaluate other Er:YAG laser parameters (such pulse frequency, air pressure) in order to reduce operative time without compromising adhesion and to test the above mentioned findings in a clinical study in order to further optimize Er:YAG laser efficiency.
29 CONCLUSIONS
Based on the results of this study and given the limitations of an in vitro study, the following conclusions can be drawn:
• One-step cavity preparation with QSP (pulse energy of 300 mJ, without finishing) and with the operating parameters used in this study demonstrated high quality of marginal adaptation in mixed class V restorations both in enamel and dentin, before and after loading.
• No significant differences in the quality of marginal adaptation were detected for QSP laser prepared cavities in comparison to bur prepared cavities, both in enamel and dentin, before and after loading.
• SSP may not be suitable for cavity preparation and finishing of dentin prior to establishment of adhesion.
Clinical implications
Er:YAG in QSP mode represents an interesting alternative to conventional bur preparation in terms of non-significantly different marginal adaptation in mixed class V cavities restored with a self-etching adhesive system and composite resin. Two distinct steps, preparation and finishing, may no longer be necessary when using the QSP mode with an Er:YAG laser regardless of the handpiece used (contact or non-contact), reducing clinical time without compromising marginal adaptation.
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