铒激光防龋机理及防龋效果的热-力、热-化学耦合研究

Dental caries is common oral disease which negatively affect numerous people. According to reports from the World Health Organization, dental caries is one of the three major preventive diseases with the other two as tumor and cardiovascular disease. Erbium laser irradiation has been reported to effectively improve acid resistance in enamel. However, the underlying mechanism is unknown causing difficulty in evaluation the cariostatic effect. Moreover, mathematical modeling of cariostatic effect is also missing preventing widely application of lasers in caries prevention.By experiments, theoretical analysis and numerical simulation methods,the thermal shock damage in enamel and the changes in chemical components, micro-hardness ect. along temperature gradient through the enamel thickness will be analyzed. The potential mechanism underlying improved acid resistance after laser irradiation will be discussed. Based on which, the method in evaluation the cariostatic effect is to be provided. Finally, mathematical models for predicting cariostatic effect by thermal shock damage resulting form thermal-mechanical coupling and carbon loss from thermal-chemical coupling are proposed. The research findings will provide powerful tool as guidance for reliable, safe, and effective usage of lasers for caries prevention in clinics.

龋病是危害人类口腔健康最普遍的疾病，被世界卫生组织列为癌症和心血管疾病之后的第三大重点防治疾病。铒激光照射可提高牙釉质的抗酸性，达到防龋目的。但因其作用机理不清楚，导致防龋效果评价方法不统一，结论不一致。同时缺乏对激光防龋效果的预测研究，限制其临床应用。本研究应用实验、理论分析和数值模拟方法，研究脉冲激光照射中的热-力耦合作用导致釉质的热冲击损伤破坏，以及由热-化学耦合作用导致釉质纵截面（沿深度方向）的化学成分等理化特性的梯度变化规律，揭示铒激光防龋机理，提出统一的防龋效果评价方法，建立基于热冲击损伤破坏的热-力耦合模型，以及化学成分梯度变化的热-化学耦合模型。综合考虑热-力，热-化学耦合因素对防龋效果进行预测。究成果可用于指导临床激光输出功率和作用时间等参数的优化选择，以期为铒激光在临床龋病防治中可靠、安全、有效的应用提供理论依据。

龋病是危害人类口腔健康最普遍的疾病。尽管激光技术在口腔龋病防治中具有重大的潜在应用价值，其基础理论体系还不完备，有关定量化的研究在很大程度上仍停留在经验的水平，基础研究还跟不上临床应用的需求。针对上述问题，本项目提出研究内容包括：1）激光照射增强釉质抗酸性机理研究；2）建立统一的激光防龋效果评价方法；3）激光防龋效果预测模型及实验验证。本项目在执行期内与西安交通大学口腔医院合作（本项目的第一和第二参与人分别是口腔医院预防科的主任和医师）全面完成了研究计划。通过项目研究与华顺顿大学圣路易斯分校 Guy Gene 教授建立实质性合作，联合培养研究2名，其中一名研究生前往Guy Gene 教授实验室联合培养一年。出版专著1部，英文专著章节1篇，发表标注基金号论文8篇，国际会议特邀报告1次。在前期研究及该项目研究中取得的关于生物热-力-电，力-化耦合的研究思想，为后续申请并获批的自然科学基金面上项目奠定了研究基础。将本项目的前期研究成果作为重要组成部分，申报并获得了2014年教育部自然科学一等奖（本人排名第三）；2015年国家自然科学二等奖（本人排名第四）。项目负责人还获得陕西高等学校科学技术奖一等奖、陕西省青年科技新星、西安青年科技人才奖、第六届中国侨界贡献奖（创新团队）等科研奖励及荣誉。