Benefit der Anwendung des Diodenlasers in der Endodontie

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1 DIPLOMARBEIT Benefit der Anwendung des Diodenlasers in der Endodontie eingereicht von Petra Douschan Geb.Datum: zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Zahnheilkunde (Dr. med. dent.) an der Medizinischen Universität Graz ausgeführt an der klinischen Abteilung für Zahnerhaltung der Universitätsklinik für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde Graz unter der Anleitung von Ao. Univ.-Prof. Dr.med.univ. Karl Glockner Graz, Jänner 2014

2 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst habe, andere als die angegebenen Quellen nicht verwendet habe und die den benutzten Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Graz, am Douschan Petra I

3 Danksagung Mein erster Dank gilt Herrn Univ. Prof. Glockner für die gute Diplomarbeitsbetreuung, Zusammenarbeit und Hilfestellung, ohne Ihn wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Weiters danke ich meiner gesamten Familie für die jahrlange Unterstützung und das sie immer an mich glauben. Im Speziellen bedanke ich mich bei Harry der mir Halt gibt, Irene die mit mir lacht und weint, Hanno der mit zeigt was Kampfgeist ist, Gertraud die mich versteht und Christian der immer für mich da ist. Abschließend möchte ich mich bei all meinen Freunden bedanken und bei meinem Uni Mädels, ich bin froh euch alle in meinem Leben zu haben. II

4 Zusammenfassung Die Endodontie spielt als zahnerhaltende Maßnahme eine wichtige Rolle in der konservierenden Zahnheilkunde. Entscheidende Faktoren für die Entfernung der Bakterien ist zum einen die mechanische Aufbereitung des Wurzelkanals mittels Handinstrumente und zum anderen die Spülung des Wurzelkanals. Für die Spülung des Kanals stehen Chlorhexidin, Natriumhypochlorid, Wasserstoffperoxid, Ethylendiamintetraessigsäure und Natriumchlorid zur Verfügung. Eine weitere adjuvante Maßnahme zur Bakterienelimination im Rahmen der Endodontie ist der Diodenlaser. Vom Diodenlaser wurde erstmals im Jahr 1961 berichtet und seit Mitte der Neunzigerjahre ist der Diodenlaser in der Zahnheilkunde in Verwendung. Die Anwendung des Diodenlasers in der Zahnmedizin ist mannigfaltig, er kann sowohl für die Weichgewebschirurgie zum Schneiden, Koagulieren und Weichgewebskürretage als auch zur Dekontamination von keimbesiedelten Oberflächen in der parodontalen Therapie, der Periimplantitistherapie oder der Endodontie herangezogen werden. Der Vorteil der Laseranwendung in der Endodontie liegt in der größeren Eindringtiefe ins Dentin im Vergleich zu den Spüllösungen und die Bestrahlung bewirkt eine direkte Veränderung in der Zellhülle der Bakterien. Abstract As tooth-preserving measure, endodontics plays an important role in conservative dentistry. Important factors for the removal of bacteria are on the one hand mechanical preparation of the root canal via the use of manual instruments and on the other the rinsing of the root canal. Available substances for the rinsing of the canal are chlorhexidine, sodium hypochloride, hydrogen peroxide, ethylenediaminetetraacetate, and sodium chloride. A further additional measure for the bacteria elimination as part of the endodontic treatment is the diode laser. Diode lasers have firstly been mentioned in 1961, and they have been used in dentistry since the middle of the nineties. In dentistry, the area of application of diode lasers is manifold: In soft tissue surgery it can be used to III

5 cut, to coagulate and for the curettage of the tissue, but also to decontaminate germinfested surfaces in paradontal therapy, for periimplantitis therapy and for endodontic treatment. The advantage of the use of lasers in endodontics lies in their larger depth of penetration into the dentine when compared to rinsing solutions. Additionally, lasers cause a direct change in the cell envelope of bacteria. IV

6 Inhaltsverzeichnis Danksagung... II Zusammenfassung... III Abstract... III Inhaltsverzeichnis... V Abbildungsverzeichnis... VII Tabellenverzeichnis... VIII 1. Die Pulpa Anatomie der Pulpa Pulpitis Pathogenese der Pulpitis Ätiologie der Pulpitis Pulpanekrose Therapie der Pulpitis Therapiemaßnahmen zur Vitalerhaltung der Pulpa Wurzelkanalbehandlung Chemomechanische Desinfektion Die mechanische Wurzelkanalaufbereitung Chemische Wurzelkanaldesinfektion Natriumhypochlorid (NaOCl) Chlorhexidin (CHX) Wasserstoffperoxid (H2O2) Ethylendiamintetraacetat (EDTA) Natriumchlorid (NaCl) Adjuvante Therapie mit Laser Der Diodenlaser Entwicklung des Diodenlasers V

7 3.2 Aufbau des Diodenlasers und Funktionsprinzip Reaktion der Bakterien auf Laserlicht Indikationen Low-Level-Laser-Therapie (LLLT) Photodynamische Therapie Gewebedesinfektion mit dem Diodenlaser Weichgewebschirurgie Laserunterstütze Aufhellung von Zähnen Laserfluoreszenzdiagnostik Ergebnis photodynamische Therapie Wirkung eines 830 nm Diodenlaser auf die Bakterien im Wurzelkanal Eindringtiefe des 980 nm Diodenlasers ins Dentin Wärmeentwicklung bei der Anwendung des Diodenlasers Vergleich des Diodenlasers mit anderen Lasern Diskussion Literaturverzeichnis VI

8 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Aufbau des Zahnes ( kompetenzzentrum.de/media/health/dental/gw_dental/zahn_g.jpg) Abbildung 2: Grundform der Handinstrumente (Hellwig 2009:375) Abbildung 3: Aufbau der Wurzelkanalinstrumente (Hellwig 2009:374) Abbildung 4: Spanraum, Querschnitt und der Kern bei Reamer, K-Feile und Hedström-Feile (Hellwig 2009:377) Abbildung 5: Lichtausbreitung des Diodenlasers im Dentin (Moritz 2006:257) Abbildung 6: Prinzipieller Aufbau eines Lasers (Vahl 1992:19) Abbildung 7: Energieniveaus eines Lasermediums (Tritthart 2001:645) Abbildung 8: Aufbau eines Diodenlasers mit Homostruktur (Eichler 2010:185) Abbildung 9: Aufbau eines Diodenlasers mit Heterostruktur (Eichler 2010:186) Abbildung 10: Aufbau eines Quantum well lasers (Eichler 2010:195) VII

9 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht zu den Ursachen der Pulpaerkrankung (Hellwig 2009:324) Tabelle 2: Schmerzsymptome bei reversiblen und irreversiblen Pulpitiden (Hellwig 2009:339) Tabelle 3: schematischer Ablauf einer Wurzelkanalbehandlung (Hellwig 2009:361) Tabelle 4: Interaktion der Spüllösungen (Lussi 2010:211) Tabelle 5: Anwendungsgebiete des Diodenlasers in der Zahnmedizin und nutzbare Wellenlänge (Krause, Frentzen 2007:152) VIII

10 1. Die Pulpa Die Pulpa, vom lateinischen Fleisch, befindet sich wie in Abbildung 1 ersichtlich, im Inneren des Zahnes und wird von der Zahnhartsubstanz umgeben. Die Pulpa ist ein feinfaseriges Bindegewebe, mit einer Vielzahl an Blutgefäßen und Nervenfasern. (Pschyrembel 2002:1385) Abbildung 1: Aufbau des Zahnes ( kompetenzzentrum.de/media/health/dental/gw_dental/zahn_g.jpg) 1.1 Anatomie der Pulpa Die Pulpa stellt den Weichgewebekern des Zahnes dar und der von ihr eingenommene Raum wird als Pulpakammer bezeichnet. Der Lage nach kann eine Unterteilung in Kronenpulpa und Wurzelpulpa vorgenommen werden. Umgeben ist die Pulpa von Dentin, einem mineralisierten Gewebe, welches den größten Anteil des Zahnes darstellt (Hellwig 2009:311). Die Pulpa hat ihren Ursprung im Glockenstadium. Histologisch gesehen ist der Zahn in seiner Gesamtheit ektodermalen Ursprungs. Die Pulpa entsteht aus den 1

11 Mesenchymzellen des Kopfmesektoderms, welches aus der Kopfneuralleiste entsteht (Baumann 2008:3). Das Glockenstadium folgt auf das Kappenstadium, in welchen sich die Zahnpapille entwickelt. Im Glockenstadium wandeln sich die Mesenchymzellen zu Odontoblasen um welche mit der Prädentinbildung beginnen, das Prädentin verkalkt und wird im weiteren Verlauf zu Dentin. Die restlichen Zellen der Zahnpapille bilden die Pulpa (Sadler 2003:350). Die Pulpa weist eine gelartige Konsistenz auf. In ihr eingelagert befinden sich Zellen, Fasern und Blutgefäße. Die Pulpa ist nicht einheitlich aufgebaut, der Bindegewebestrang, in welchem mittig Blutgefäße und Nervenfasern liegen, ist umlagert von einem Bereich undifferenzierter Zellen und Fibroblasten. Dieser Bereich wird kernreiche oder bipolare Zone genannt, in welchem sich der Raschkow sche Plexus befindet. Dieser bezeichnet die zahlreiche Verästelung des zentralen Nervenbündels dessen Ausläufer bis in das Dentin reichen (Hellwig 2009:311ff). Im apikalen Wurzeldrittel ist die bipolare Zone kaum vorhanden (Lussi 2009:13). Im Randgebiet der Pulpa erstreckt sich eine kernarme Zone welche als Weil-Zone bezeichnet wird. In ihr verlaufen die zytoplasmatischen Fortsätze der Fibroblasten sowie die Ausläufer der Nervenfasern (Hellwig 2009:311ff). Sie ist in der Kronenpulpa stärker ausgeprägt als in der Wurzelpulpa (Lussi 2010:12). 1.2 Pulpitis Die Pulpitis bezeichnet die Entzündung der Pulpa. Eine Entzündung ist immer als Schutz- und Abwehrreaktion des Organismus zu sehen mit dem Ziel der Entfernung der Störfaktoren (Hülsmann 2008:43). Die Pulpa antwortet auf genügend starke Reize mit einer Entzündung, die einen typischen Verlauf zeigt (Hellwig 2009:319). Die Reize können bakteriell toxischer, mechanischer, chemischer oder thermischer Natur sein. (Gängler 2005:128). In 95% der Fällen ist Karies als Hauptauslöser für eine Schädigung der Pulpa verantwortlich (Heidemann 2001:9). Initial ist eine Hyperämie, eine Erweiterung der Gefäße, charakteristisch. Daraus resultiert eine gesteigerte Durchblutung, die mit Rötung (Rubor) des Gewebes einhergeht (Hellwig 2009:319). Im Anfangsstadium der Hyperämie ist die Pulpaerkrankung als reversibel zu sehen, da sie sich wieder vollständig regenerieren 2

12 kann (Heidemann 2001:12). Wird die Irritation aber nicht gestoppt resultiert eine Schwellung (Tumor) aufgrund der Permeabilitätserhöhung der postkapillären Venolen. Der Pulpa ist es aufgrund ihren topografischen Lage nicht möglich sich räumlich auszudehnen, daraus resultiert ein erhöhter Gewebedruck. Die klassische Theorie nimmt an, dass es durch die Erhöhung des Drucks und die daraus folgende Kompression der Venolen zu einer Strangulation kommt, und diese zu einer Pulpanekrose führt. Modernere Theorien weichen von der Strangulationstheorie ab und erklären die Hämodynamik der Pulpitis folgend: Der Blutfluss der gesunden Pulpa ist relativ hoch und wird kaum durch vasodilatatorische Substanzen beeinflusst. Bei einer lokalen Steigerung des Drucks kommt es durch arteriovenöse Anastomosen zu einer schnellen Umverteilung des Blutflusses. Bei einer Entzündung kommt es zu einem relativ niedrigen Anstieg des Blutflusses und dieser ist limitiert auf das inflammierte Gebiet. So eine Entzündung kann über einen längeren Zeitraum bestehen, solange der Reiz bzw. die Irritation nicht stark genug ist, und nur lokal wirksam, kann sich die Pulpa nach der Entfernung des Reizes wieder erholen. Wenn der Reiz aber intensiv genug und über längere Zeit vorhanden ist breitet sich die Entzündung in der gesamten Pulpa aus. Dies erfolgt meist von peripher nach zentral und geht dann in die Wurzelpulpa über. Der Inflammation folgt die Nekrose der Pulpa. (Hellwig 2009: 319ff) Pathogenese der Pulpitis Die zelluläre Phase wird von neutrophilen Granulozyten in der ersten Zeit dominiert. Später kommen Lymphozyten, Makrophagen und Plasmazellen dazu. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Entzündung bereits einen chronischen Zustand ein. Die vaskuläre Phase ist durch einen Anstieg des Blutflusses, Dilatation und erhöhte Permeabilität der Kapillaren und durch die Ansammlung von Flüssigkeit im Gewebe charakterisiert. Wird die Irritation in dieser Phase entfernt, kommt es zu einer Ausheilung. Bleibt der Reiz jedoch bestehen, wandern mehr neutrophile Granulozyten ein. Die Lebensdauer dieser Zellen ist gering und nach ihrem Absterben setzen sie toxisch zelluläre Komponenten und proteolytische Enzyme frei. Dieser Vorgang führt zur Zerstörung anderer Zellen sowie Bindegewebsfasern und 3

13 Grundsubstanz der Pulpa. Ist die Gewebszerstörung massiv, kommt es zur Eiterbildung (Pus) in der Pulpa. Verläuft dieser Vorgang langsam, kommt es zur Ausbildung eines abgekapselten Eiterherdes (abgekapselter eitriger Abszess). Geht diese Entzündung von einem akuten in einen chronischen Prozess über, sind anfänglich vermehrt Lymphozyten und später Makrophagen und Plasmazellen anzufinden. Die Lymphozyten stellen die humorale und zellvermittelte Immunantwort dar. Sowohl Lymphozyten als auch Makrophagen sind in der Lage, aufgrund ihrer zytotoxischen Aktivität oder durch Zytokinbildung Gewebe zu zerstören. (Hellwig 2009: ) Die Entzündung der Pulpa ist kein einheitlicher Prozess, es liegen oftmals verschiedene Entzündungsstadien in verschiedenen Bereichen der Pulpa vor, dies erschwert die Zuordnung der Pulpitiden. Klimm teilt die Pulpitiden folgend ein: Pulpitis acuta serosa partialis (coronalis) Es besteht eine entzündliche Hyperämie in der gesamten koronalen Pulpa. Durch Ausscheidung von Serum- und Plasmabestandteile des Bluts kommt es zur Entwicklung eines Pulpaödems. Pulpitis acuta serosa totalis (radicularis) Im Unterschied zur Pulpitis serosa partialis ist bei der Pulpitis serosa totalis auch die Wurzelpulpa von der Hyperämie betroffen. Pulpitis acuta purulenta partialis (coronalis) Es liegen eine Hyperämie, zelluläre Infiltration und Abzessbildung in der koronalen Pulpa vor. Die Infiltration besteht aus polymorphkernigen neutrophilen Leukozyten, Monozyten und Lymphozyten. Zu unterscheiden sind 3 Zonen: Zone 1: suppurative Kernzone oder Zone der Nekrose Zone 2: Zone der Kontamination oder Zone der exsudativen Entzündung Zone 3: proliferative Entzündungszone 4

14 Pulpitis acuta purulenta totalis (radikularis) Auch hier liegt der Unterschied in der Ausdehnung der Entzündung, bei der Pulpitis purulenta totalis ist das radikuläre Pulpagewebe in den Entzündungsprozess involviert. Pulpitis chronica Charakteristisch für die chronische Pulpitis ist ein zelluläres Infiltrat welches aus Lymphozyten, Plasmazellen, Makrophagen und eosinophilen Leukozyten besteht. Die chronische Pulpitis kann primär entstehen oder sich aus einer akuten Form entwickeln. Die chronische Pulpitis kann in eine geschlossene und offene Form eingeteilt werden, die Pulpitis chronica clausa und die Pulpitis chronica aperta. Bei der Pulpitis chronica clausa unterscheidet man zwischen einer purulenten Form, die durch Abzessbildung charakterisiert ist, und einer granulomatösen Form welche das interne Granulom bezeichnet. Bei der Pulpitis chronica aperta gibt es ebenfalls zwei Formen. Die Pulpitis chronica aperta ulcerosa ist meist auf die Kronenpulpa beschränkt, die offen liegende Pulpa ist mit nekrotischen Gewebe bedeckt, die darunter liegende Pulpa enthält chronisch und akut entzündete Bereiche. Die Pulpitis chronica aperta granulomatosa bezeichnet den Pulpapolyp, der durch proliferatives Granulationsgewebe mit resorbierbaren Charakter gekennzeichnet ist (Klimm 2011:155ff). Der Pulpapolyp tritt vorwiegend bei Milchzähnen und in seltenen Fällen bei bleibenden Zähnen auf. Pulpapolypen sind nicht schmerzhaft, können das gesamte Lumen von kariösen Zähnen ausfüllen und bei Berührung kann es zu Blutungen kommen (Hellwig 2009:322). Neben der oben erwähnen Einteilung der Pulpitiden existieren noch weitere, erwähnenswert ist die Einteilung nach der AAE. AAE: Consensus conference recommended diagnostic terminology: normale Pulpa reversible Pulpitis symptomatische irreversible Pulpitis asymptomatische irreversible Pulpitis 5

15 Pulpanekrose vorbehandelter Zahn begonnende endodontische Therapie (Glickman, 2009:1619ff) Auch akute und chronische Stadien können mitunter schwer voneinander getrennt werden, da sie oft nebeneinander auftreten. Eine nichtbehandelte Entzündung der Pulpa wandert immer weiter nach apikal und endet in einer Pulpanekrose Ätiologie der Pulpitis Der Entzündung der Pulpa können sowohl natürliche als auch iatrogene Ursachen zugrunde liegen. In Tabelle 1 werden die häufigsten Ursachen dargestellt. Infektiös-toxisch Traumatisch Iatrogen Karies Kronenfrakturen Präparatorische Maßnahmen Parodontopathien Wurzelfrakturen Reinigung, Trocknung der Kavität Nicht kariesbedingter Zahnhartsubstanzverlust Kontusion, Luxation, Infraktion Andere restaurative Maßnahmen Hämatogen Traumatische Okklusion Kieferorthopädische Behandlung Tabelle 1: Übersicht zu den Ursachen der Pulpaerkrankung (Hellwig 2009:324) Daraus abgeleitet lässt sich eine grobe Einteilung der Pulpitis hinsichtlich der Entstehung erstellen: infektiöse Pulpitis traumatische Pulpitis iatrogene Pulpitis 6

16 Infektiöse Pulpitis Der Hauptauslöser der infektiösen Pulpitis ist Karies. Die erste Reaktion der Pulpa lässt sich bereits bei fortgeschrittener Schmelzkaries histologisch nachweißen. Sobald die Karies das Dentin erreicht hat und durch die Dentinkanälchen der Weg zur Pulpa hergestellt ist reagiert der Pulpa- Dentin- Komplex. Vorerst ist die Reaktion auf bakterielle Stoffwechselprodukte zurückzuführen, erst wenn die Karies die Pulpa erreicht erfolgt eine Reaktion direkt auf die Bakterien. Das Dentin weißt zwei Bakterienzonen auf: in der pulpanahen Zone befinden sich vermehrt grampositive Laktobazillen und Stäbchen in der zweiten Zone herrscht eine Mischinfektion vor Die Pulpa-Dentin-Einheit reagiert auf diesen Reiz im Dentin mit tubulärer Sklerose an der Pulpa-Dentin-Grenze mit der Bildung von Tertiärdentin in der Pulpa mit Entzündung (Hellwig 2009: 325) Traumatische Pulpitis Auslöser der traumatischen Pulpitis sind meist Frakturen. Durch eine Dentinfraktur liegt eine direkte Eröffnung der Pulpa vor, während bei Dentinsprüngen die Bakterien sich den Weg zur Pulpa erst bahnen müssen. Bei Kronenfrakturen ist zu unterscheiden ob es sich um eine einfache oder komplizierte Fraktur handelt. Die einfache Kronenfraktur ist ohne Eröffnung der Pulpa, während bei der komplizierten Fraktur das Pulpenkavum eröffnet ist. Hier sind bereits nach 24 Stunden die ersten Zeichen einer akuten Entzündung zu erkennen. Bei der Wurzelfraktur ist die Dislokation der Frakturfragmente und das Vorhandensein einer Verbindung zur Mundhöhle ausschlaggebend, ob eine konservative Behandlung möglich ist. 7

17 Iatrogene Pulpitis Zahnärztliche Maßnahmen können auch zu einer Schädigung oder Irritation der Pulpa führen, es sind Reize physikalischer oder chemischer Natur. Physikalische Ursachen sind: Art der Präparation Trockenlegung der Kavität diagnostische Applikation von Kälte oder Wärme mechanisches Einbringen von Füllungsmaterial und Abformungen Zu den chemischen Reizen zählen: Reinigungs-, Desinfektions- und Trocknungsmittel Lacke Säuren adhäsive Mittel Füllungsmaterialien Zusätzlich sollte vom Zahnarzt der ausgeübte Druck sowie die Vibration und die Temperaturerhöhung bei der Präparation am Zahn bedacht werden (Hellwig 2009: 324ff). 1.3 Pulpanekrose Die Pulpanekrose ist das Endstadium der Pulpitis und ist durch irreversible Zerstörung der Pulpa gekennzeichnet (Klimm 2011:159). Die Pulpanekrose verläuft zumeist schmerzfrei, kann allerdings auch mit starken Schmerzen einhergehen. Die Entstehung der Pulpanekrose ist nicht immer auf eine Entzündung zurückzuführen, sondern kann auch traumatisch bedingt sein. Ein Trauma führt zu einer Unterbrechung der Blutzufuhr und somit zur Ischämie mit darauf folgender Koagulationsnekrose. 8

18 Die Kolliquationsnekrose hingegen entsteht durch Bakterien oder bakterielle Produkte, durch Autolyse kommt es zur Verflüssigung des Gewebes. Die bakteriell induzierte Pulpanekrose ist mit schlechtem Geruch (Gangrän) und Schmerzhaftigkeit verbunden (Hellwig 2009: ). Wird die Infektion der Pulpa nicht behandelt weitet sich die Infektion in die periapikale Region aus, was eine Parodontitis apikalis zur Folge hat (Hülsmann 2008:45). 1.4 Therapie der Pulpitis Bei der Pulpitis ist zu unterscheiden, ob es sich um eine reversible oder irreversible Form handelt. Die Differenzierung gestaltet sich oft schwierig, da wir einen fließenden Übergang der beiden Formen haben. Wichtig ist die Unterscheidung anhand der Schmerzsymptomatik, wie in der folgenden Tabelle beschrieben ist. Reversible Pulpitis Irreversible Pulpitis stechend pulsierend, pochend kurz dauernd (Sekundenschmerz) anhaltend reizabhängig auf heiß, kalt, süß oder sauer reizüberdauernd Schmerz auf Wärmereiz Nachtschmerz lokalisiert ausstrahlend Tabelle 2: Schmerzsymptome bei reversiblen und irreversiblen Pulpitiden (Hellwig 2009:339) In der Therapie ist zu unterscheiden ob die Vitalität der Pulpa erhalten werden kann oder eine Wurzelkanalbehandlung indiziert ist Therapiemaßnahmen zur Vitalerhaltung der Pulpa Indirekte Überkappung Die indirekte Überkappung ist indiziert bei einer vitalen, symptomlosen, nicht eröffneten Pulpa. Die Karies kann in einem oder in zwei Sitzungen entfernt werden. 9

19 Als Überkappungsmaterial dient ein Kalziumhydroxidpräparat, welches gezielt das pulpanahe Dentin abdeckt (Hellwig 2009:347). Das Kalziumhydroxidpräparat hat die Wirkung der Abtötung der Bakterien Neutralisation von Kariessäure Härtung und Austrocknung des erweichten Dentin Anregung der Tertiärdentinbildung (Hellwig 2009:165) Eine regelmäßige Kontrolle ist im Anschluss an die indirekten Überkappung erforderlich (Hellwig 2009:348). Direkte Pulpaüberkappung Eine direkte Überkappung ist angebracht, wenn eine Eröffnung der Pulpa bei der Präparation eines Zahnes oder der Exkavation von Karies erfolgt oder bei komplizierten Kronenfrakturen, bei denen der Zahn symptomlos ist. Die Abdeckung der eröffneten Pulpa erfolgt wie bei der indirekten Überkappung mit Kalziumhydroxid. Bereits nach einer Woche ist eine Hartsubstanzbarriere erkennbar. Die Erfolgsrate der direkten Überkappung liegt bei 70-95% (Hellwig 2009:348f). Vitalamputation Die Vitalamputation oder Pulpotomie wird bei Zähnen mit noch nicht abgeschlossenem Wurzelwachstum durchgeführt. Indiziert ist sie bei Kronenfraktur oder bei großflächiger Eröffnung der Pulpa. Mittels Exkavator oder Rosenbohrer wird sowohl die Kronenpulpa als auch die Pulpa am Wurzelkanaleingang entfernt. Zur Blutstillung dient physiologische Kochsalzlösung. Die Amputationswunde wird wie bei der direkten Überkappung mit Kalziumhydroxid versorgt (Hellwig 2009:349f) Wurzelkanalbehandlung Eine Wurzelkanalbehandlung ist indiziert bei irreversibel geschädigter oder nekrotischer Pulpa sowie bei fragwürdigem Pulpazustand vor restaurativen Behandlungen. 10

20 Voraussetzung ist ein abgeschlossenes Wurzelwachstum (Hellwig 2009:361ff). In Tabelle 3 wird der Ablauf einer Wurzelkanalbehandlung verdeutlicht. Klinischer und röntgenologischer Befund Lokalanästhesie (falls erforderlich) Anlegen von Kofferdam Kariesentfernung, Aufbaufüllung (falls erforderlich) Zugangskavität Lokalisation der Kanaleingänge Sondierung der Wurzelkanals Längenbestimmung (Röntgenmessaufnahme) Aufbereitung des Wurzelkanals, Spülung, Desinfektion, Trocknung Medikamentöse Einlage, Provisorischer Verschluss (falls erforderlich) Wurzelkanalfüllung Röntgenaufnahme Provisorische oder definitive Füllung Tabelle 3: schematischer Ablauf einer Wurzelkanalbehandlung (Hellwig 2009:361) 11

21 2. Chemomechanische Desinfektion Die vitale Pulpa ist frei von Bakterien, gegen die Bakterieninvasion wehrt sich das Pulpagewebe in erster Linie mit einer Pulpitis. Mit zunehmender Nekrose ist die Infektion aber nicht abzuwehren. Die Bakterien können in planktonischer Form, frei im Wurzelkanal, der Kanalwand angeheftet oder als Biofilm vorliegen (Lussi 2010:207). Als dominierender Einzelkeim ist der Enterokokkus faecalis zu erwähnen. Weitere relevante Keime sind Streptokokkus sangius, Pseudomonas aeruginosa, Bacteroides melanogenikus, Streptokokkus intermedius, Streptokokkus mitis, Peptostreptokokkus micros, Fusobacterium nucleatum, Actinomyces israelii, Eubakterium timidum, Eubakterium alactolyticum, Bacteroides gracilis (Moritz 2009:249). Die Bakterien verweilen nicht nur im Wurzelkanal sondern dringen auch in das umliegende Dentin ein (Lussi 2010:207). Die Eindringtiefe der Keime ins Wurzeldentin beträgt zwischen 0,5-2mm wobei die Eindringgeschwindigkeit abhängig von den vorherrschenden Bakterienarten ist. So dringen Enterokokkus faecalis und Streptokokkus sangius in 2 Wochen 400 µm in die Dentinkanälchen ein, während Pseudomonas aeruginosa und Bacteroides melanogenikus in 4 Wochen kaum ins Dentin vordringen (Beer 2004:152). Die chemomechanische Desinfektion umfasst sowohl die instrumentelle Aufbereitung des Wurzelkanals als auch die chemische Desinfektion mittels Spüllösungen. Nur die Kombination beider Behandlungen führt zu einer suffizienten Reinigung des Wurzelkanals (Lussi 2010:208). Die chemomechanische Desinfektion ist ein Teil der Wurzelkanalaufbereitung, welche die Erweiterung, Reinigung und Formgebung des Wurzelkanals umfasst (Hellwig 2009:383). Die Ziele der Wurzelkanalaufbereitung wurden von Grossman im Jahr 1988 folgend festgelegt: Vollständige Entfernung von vitalem und nekrotischem Gewebe Mechanische Entfernung von Bakterien aus dem Wurzelkanal und der Wand des Wurzelkanals Steigerung der desinfizierenden Wirkung von Spüllösungen durch Oberflächenvergrößerung des Wurzelkanallumens 12

22 Formgebung des Wurzelkanals zur Ermöglichung des Auffüllens des Wurzelkanalsystems (Hellwig 2009:383) 2.1 Die mechanische Wurzelkanalaufbereitung Unter mechanischer Aufbereitung versteht man die Formgebung und Säuberung des Wurzelkanals, die entweder manuell mit Handinstrumenten erfolgen kann, oder mit maschinell betriebenen Instrumentarium. Die Wurzelkanalinstrumente sind aus Legierungen hergestellt und heute üblicherweise aus Chrom-Nickel-Edelstahl, Titan und Nickel-Titan (Hellwig 2009:373). Die Wurzelkanalinstrumente gehen auf drei Grundformen zurück: K-Feile Reamer Hedström-Feile (Beer 2004:110) In Abbildung 2 werden die soeben beschriebenen Instrumente mit ihren Querschnittsflächen veranschaulicht dargestellt. Abbildung 2: Grundform der Handinstrumente (Hellwig 2009:375) Der Aufbau der Handinstrumente ist einheitlich, siehe Abbildung 3, und besteht aus dem Schaft, der zwischen 5 und 15mm lang ist, aus dem Handgriff, der farblich 13

23 codiert ist und dem Arbeitsteil, welches eine Länge von 16mm aufweist. Die Durchmesser des Arbeitsteils vergrößert sich von der Spitze bis zum Ende um 0,32mm (Hellwig 2009:374). Abbildung 3: Aufbau der Wurzelkanalinstrumente (Hellwig 2009:374) Charakteristisch für jedes Instrument sind: Querschnitt Der Querschnitt wirkt sich auf die Schneidleistung, Flexibilität sowie die Bruchsicherheit aus. In der Regel erweisen sich vierkantige Instrumente als bruchsicherer, wohingegen dreikantige Instrumente flexibler und in der Schneidewirkung besser sind. Spanraum Der Spanraum ist entscheidend für die Menge an Material, welches aus dem Wurzelkanal abtransportiert werden kann. Der Spanraum der K-Feile ist geringer als der des Reamers oder der Hedströmfeile. Kern Neben der Qualität des verwendeten Herstellungsmaterials ist die Größe des Kerns ausschlaggebend für die Flexibilität und Stabilität des Instruments. Je größer der Kern umso stabiler das Instrument. Die Hedström-Feile hat den kleinsten Kern und ist dadurch für Brüche anfälliger. Schneidekantenwinkel Der Schneidekantenwinkel bestimmt die Schneid- und Schabwirkung der Handinstrumente. Hedström-Feilen haben die beste Schneidwirkung wohingegen die K-Feile die geringste hat. Aus dem Schneidekantenwinkel resultiert die Arbeitsweise der Instrumente, Reamer sollen drehschabend 14

24 eingesetzt werden, was bedeutet eine viertel bis eine halbe Umdrehung im Uhrzeigersinn, Hedström-Feilen nur ziehend und K-Feilen drehschabend oder zirkulär feilend (Hellwig 2009:376f). Abbildung 4: Spanraum, Querschnitt und der Kern bei Reamer, K-Feile und Hedström-Feile (Hellwig 2009:377) Die manuelle Wurzelkanalaufbereitung lässt sich in zwei Gruppen einteilen, zum einen die apikal-koronale Methode und zum anderen die koronal-apikale Methode. Bei Ersterer wird der Wurzelkanal, nach Festlegung der Arbeitslänge, mit immer größer werdenden Instrumentendurchmesser vom apikalen Endpunkt erweitert und in koronaler Richtung aufbereitet. Bei der koronal-apikalen Methode wird mit dem koronalen Anteil des Wurzelkanals begonnen und zuerst erweitert, im Anschluss daran wird die Arbeitslänge ermittelt und nach apikal konisch aufbereitet (Hellwig 2009:386). 2.2 Chemische Wurzelkanaldesinfektion Die Spülung des Wurzelkanals hat eine bedeutsame Rolle für die Reduzierung des Bakterienwachstums im Zahn. Durch die instrumentelle Bearbeitung alleine wäre eine ausreichende Reinigung nicht möglich, da nicht instrumentierte 15

25 Wurzelkanalwandbereiche übrig bleiben würden (Heidemann 2001:116). Etwa ein Drittel der Kanaloberfläche wird durch rein mechanische Reinigung nicht erreicht (Röding 2009:178). Zusätzlich kommt es bei der Bearbeitung der Wurzelkanalwand zur Ausbildung von Debris und Schmierschicht die ebenso Bakterien beherbergen kann (Heidemann 2001:116). Als Spüllösungen stehen Natriumhypochlorid, Wasserstoffperoxid, Ethylendiamintertraessigsäure, Chlorhexidin und Natriumchlorid zur Verfügung. Die Spülungen sollten eine geringe Gewebetoxizität mit gleichzeitig großer antibakteriellen Wirkung vorweisen. Die Aufgaben der Spülungen sind: Dentinspäne aus dem Wurzelkanal heraus zu entfernen antibakteriell zu wirken die Gleitwirkung für Wurzelkanalinstrumente zu steigern Restgewebe heraus zu spülen, welches für die instrumentelle Aufbereitung nicht erreichbar ist Aufhellung Entfernung der Schmierschicht (Beer 2004:154) Dafür benötigt das chemische Mittel möglichst folgende Eigenschaften: Penetration Adhäsion Depotwirkung Bakterizidie Breitbandwirkung Bleichwirkung Gewebeauflösung Gewebeverträglichkeit Grenzflächenaktivität Inaktivierung von Endotoxin Verhinderung oder Auflösung der Schmierschicht (Klimm 2011:259ff) 16

26 2.2.1 Natriumhypochlorid (NaOCl) Natriumhypochlorid ist die am häufigsten eingesetzte Wurzelkanalspülung (Baumann 2008:84). Es wurde 1920 das erste Mal zur Wurzelkanalspülung eingesetzt (Klimm 2011:296) Natriumhypochlorid ist eine farblose Flüssigkeit mit schwachem Chlorgeruch. Der ph-wert liegt zwischen 10,7 und 12,2 und liegt somit im basischen Bereich (Beer 2004:154). Die Verbindung wird bei Licht- und Wärmezufuhr instabil, darum ist eine dunkle und kühle Lagerung erforderlich. Natriumhypochlorid wirkt sowohl desinfizierend als auch gewebeauflösend, wobei Letzteres im Vordergrund steht. Für die Wirkung ist sowohl die Konzentration als auch die Einwirkzeit von Bedeutung. Die in der Zahnmedizin gebräuchlichen Konzentrationen liegen zwischen 0,5 und 5%. Die Konzentration verhält sich jedoch umgekehrt proportional zur Einwirkzeit - je höher die Konzentration gewählt wird umso geringer ist die Einwirkzeit für den gewünschten Effekt. 5%: 2 Minuten Einwirkzeit 2,5%: 5 Minuten Einwirkzeit 0,5%: 30 Minuten Einwirkzeit (Städtler WS2010,VO) Die Effektivität in Bezug auf die antibakterielle Wirkung variiert ebenso je nach Konzentration. Eine 2,5%ige Lösung hat im Vergleich zu einer 0,5%igen Lösung eine 3,5fach höhere Wirkung, eine 5,25%ige Natriumhypochloridlösung sogar den 5,5fachen Effekt. Der gewebsauflösende Effekt steht bei Natriumhypochlorid im Vordergrund. Eine Spülung mit einer 2%igen Lösung führt zu einer sauberen Oberfläche bei aufbereiteten Wurzelkanälen. Bereits nach 15 Minuten löst eine 2%ige Natriumhypochloridlösung 15% des Gewebes in der Pulpa auf, nach 60 Minuten werden 45% aufgelöst und nach 2 Stunden ist das gesamte Pulpagewebe entfernt (Beer 2004:154). Die Wirkung von Natriumhypochlorid kann durch Erwärmung auf C gesteigert werden, sowohl in Bezug auf die Desinfektion als auch auf die Gewebsauflösung (Baumann 2008:84). Allerdings steigen mit zunehmender Konzentration die Nebenwirkungen an. Gelangt Natriumhypochlorid über den Apex hinaus, kommt es zu einer Gewebsauflösung des umliegenden Gewebe, als Folge kann es zu Wangennekrose, Ödembildung, lokaler Nekrose oder Emphysembildung kommen (Städtler WS2010,VO) 17

27 Natriumhypochlorid soll nicht zu lange gelagert werden, nach sechs monatiger Lagerung zerfällt die Lösung aufgrund des Absinkens des ph Werts (Klimm 2011:298) Chlorhexidin (CHX) Chlorhexidin findet bereits seit 40 Jahren Verwendung als Wurzelkanalspüllösung (Klimm 2011:299). Chlorhexidin wird in 0,1-0,2%iger Lösung in der Zahnmedizin für die Spülung des Wurzelkanals eingesetzt. Chlohexidin hat eine sehr gute antimikrobielle Wirkung, im Speziellen gegen Gram positive Bakterien. Im Gegensatz zu Natriumhypochlorid wirkt Chlorhexidin nicht gewebsauflösend. Natriumhypochlorid und Chlorhexidin sollten nicht gemeinsam verwendet werden. Durch die Interaktion der beiden Lösungen kann es zur Ausbildung von Präzipitaten kommen. Um diesen toxischen Niederschlag zu verhindern sollte mit 0,9%iger Kochsalzlösung zwischengespült werde. Chlorhexidin ist eine der effizientesten Spülungen zur Beseitigung des Enterokokkus faecalis und auf Grund seiner Depotwirkung bei Revisionen oder Nekrosen unverzichtbar (Baumann 2008:84). Die Depotwirkung ist auf die Bindung an Hydroxylapatit zurückzuführen welche durch die kationische Struktur des Chlorhexidinmoleküls möglich ist (Lussi 2010:210). Chlorhexidin ist das Mittel der Wahl bei Patienten mit Hypersensitivität gegen Natriumhypochlorid (Klimm 2011:302) Wasserstoffperoxid (H2O2) Wasserstoffperoxid hat sowohl eine geringe gewebsauflösende, als auch antimikrobielle Wirkung (Städtler WS2010,VO). Bei der Spülung mit Wasserstoffperoxid werden jedoch Dentinspäne und Gewebereste gut aus dem Wurzelkanal entfernt (Beer 2004:154). Die gebräuchliche Konzentration der Zahnmedizin ist 3%, bei zu hohen Konzentrationen kommt es zur Gewebsnekrose. 18

28 Bei Berührung mit Blut, Pus oder Gewebe beginnt Wasserstoffperoxid zu schäumen, dieser Effekt kommt durch die Enzyme Katalase und Gluthation-Peroxidase zustande, die Wasserstoffperoxid in molekularen Sauerstoff überführen (Heidemann 2001:117) Ethylendiamintetraacetat (EDTA) EDTA zählt zu den Chelatoren, deren Aufgabe es ist die Schmierschicht im Wurzelkanal zu entfernen und sie dienen als Gleitmittel. Der ph Wert liegt bei 7,3 im neutralen Bereich. Ethylendiamintetraacetat hat eine geringe antibakterielle Wirkung wohingegen die gewebsauflösende Wirkung bei einer 10 bis 15%igen Lösung gut ist (Beer 2004:154). Durch die Bindung von Kalzium an EDTA wird das Dentin erweicht (Gängler 2005:233). Die Wirkung von EDTA ist in Wurzelkanälen mit größeren Lumen effizienter als in engen Kanälen, da ein besserer Wandkontakt gegeben ist. Eine Kombination von Natriumhypochlorid und EDTA steigert den Reinigungseffekt von EDTA (Heidemann 2001:118). Die Eindringtiefe von EDTA beträgt im mittleren und koronalen Wurzeldrittel 20-50µm und es führt zur Erweiterung der Dentinkanälchen (Klimm 2011:303). Ein zu häufiges Spülen mit EDTA in Verbindung mit Natriumhypochlorid kann zu Erosionen des Wurzelkanaldentins führen (Bargholz 2006:249) Natriumchlorid (NaCl) Natriumchlorid oder Kochsalzlösung wird in 0,9%iger Form für die Wurzelkanalspülung verwendet. Natriumchlorid zählt zu den gewebefreundlichsten Lösungen, die antibakterielle Wirkung ist jedoch sehr gering (Beer 2004:154). Vorsicht ist aber bei der Kombination der Spüllösungen gegeben, die Wirkung wird nicht immer im positivem Sinne verstärkt. Wie in Tabelle 4 ersichtlich ist kann es auch zu negativen Effekten führen. 19

29 Spüllösung Spüllösung Interaktion 1 2 NaOCl EDTA Starke Reduktion der freien Chloridionen. NaCl verliert seine antibakterielle- und seine gewebsauflösende Wirkung. Übermäßige Wechselspülung führt zu deutlicher Erosion des Kanaldentins und zur Herabsetzung der Dentinhärte. NaOCl CHX Bildung einer Parachloranilin-Ausfällung (toxischer rostbrauner Niederschlag) NaOCl H 2O 2 Aufschäumende Wirkung durch Entstehung von O 2 Tabelle 4: Interaktion der Spüllösungen (Lussi 2010:211) 2.3 Adjuvante Therapie mit Laser Der Ausdruck Laser ist ein Akronym und leitet sich aus den Anfangsbuchstaben von light amplification by stimulated emission of radiation, also Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung, ab (Moritz 2006:1). Die Anwendung des Lasers in der Endodontie ist kein neues aber in seiner Wirkung umstrittenes Thema und wird seit Ende der 70er Jahre erforscht und erprobt. Es stehen verschiedene Lasersysteme zur Verfügung: Softlaser mit einer Leistung bis zu 500 Milliwatt HeNe Laser oder Diodenlaser Hardlaser deren Leistung bis zu 10 Watt beträgt ND:YAG-Laser, Ar-Laser, Er:YAG-Laser, Er:YSGG-Laser, Diodenlaser oder CO2-Laser UV Laser die sich im Ultraviolettbereich von 100 bis 400 Nanometer bewegen Eximer-Laser oder XeCl-Eximer-Laser Infrarot Laser der im Wellenlängenbereich über 750 Nanometer liegt und nochmals in drei Bereiche unterteilt wird. - IRA: bis 1400nm - IRB: von 1400 bis 3000nm 20

30 - IRL: von 3000 bis 15000nm (Bargholz 2006:116) Der Betriebsart nach können zwei Lasertypen voneinander unterschieden werden: gepulster Laser continuous wave Laser (Bach 2007:82) Die Betriebsart ist von dem Pumpvorgang bestimmt, und nur bei genügend starkem Pumpen kann es zu einer Verstärkung der Leistung kommen. Als Pumpen bezeichnet man das Anheben von Elektronen auf höhere Energiebahnen die zu Inversion führen. (Bach 2007:19). Inversion kommt aus dem lateinischen und bedeutet Umkehr. Inversion liegt vor wenn sich mehr Teilchen in einem energetisch höheren Niveau befinden als im energetisch niedrigen Zustand (Vahl 1992:20). Es gibt eine Vielzahl an Möglichkeiten des Pumpens: - Optisches Pumpen mittels starker Lampen - Elektrisches Pumpen durch Gasentladung - Chemisches Pumpen durch Reaktionen, die angeregte Moleküle erzeugen - Pumpen durch inelastische Stöße zwischen Partnern, diese werden als Stöße 2. Art bezeichnet - Elektronisches Pumpen durch Ladungsträgerdifffusion in Halbleitern - Pumpen durch Beschleunigung von Elektronen (Moritz 2006:33) Wird als Pumpmechanismus beispielsweise eine Blitzlampe eingesetzt liegt ein Impulslaser vor. Wird die Inversion jedoch durch den Pumpvorgang lange aufrechterhalten ist die Laseremission kontinuierlich (Bach 2007:82). Das Laserlicht besteht aus einer Wellenlänge, ist also monochromatisch, des Weiteren haben die Wellen die gleiche Frequenz, sind also kohärent und der Strahlengang ist annähernd parallel, was als kollimiert bezeichnet wird (Bach 2007:81). Trotz präzise durchgeführter Wurzelkanalaufbereitung und gründlicher Spülung des Kanals ist die Erreichung der Keimfreiheit im Wurzelkanal durch die anatomische Wurzelkonfiguration und die Qualität der Bakterien nicht immer möglich. Die 21

31 Bakterien besiedeln nicht nur den Kanal, sondern dringen auch in das Dentin ein, als Schlupfwinkel dienen nicht nur Nebenkanälchen und apikale Verästelungen sondern das gesamte System der Dentinkanälchen (Moritz 2006:250). Die Eindringtiefe der chemischen Desinfektionsmittel ins Dentin beträgt 100 µm während die Bakterien bis zu µm in das umliegende Dentin vordringen (Moritz 2006:254). Der Einsatz des Lasers in der Endodontie ermöglicht es, durch seine bakterizide und desinfizierende Wirkung, die Reinigung zu optimieren. Durch die Eindringtiefe von mehr als µm in die Dentintubuli ist es möglich Bakterien zu eliminieren die durch konventionelle Spülung und Aufbereitung nicht erreichbar sind. Der Laser greift direkt die Zellhülle an, die den Bakterien als Schutz dient, und bewirkt so eine Elimination der Keime. Vom Laser ausgehendes Licht wird durch das Eindringen ins Dentin gestreut und verliert dadurch seine charakteristische Parallelität. Die Streuung des Laserlichtes ist in Abbildung 5 dargestellt. Weiters ist das Phänomen der Interferenz zu beobachten, treffen Strahlen aufeinander bei welchen Wellental und Wellenberg zusammenfallen, verstärken sich die Strahlen gegenseitig. Im umgekehrten Fall des Zusammentreffens von zwei Strahlen, bei welchen es zu einer gegenseitigen Überlagerung vom Wellental der einen Strahlung mit dem Wellenberg der zweiten Strahlung, kommt es zur gegenseitigen Auslöschung (Moritz 2006:254ff). Abbildung 5: Lichtausbreitung des Diodenlasers im Dentin (Moritz 2006:257) 22

32 3. Der Diodenlaser Der Diodenlaser zählt zu den Halbleiterlasern, über welche bereits 1961 das erste Mal berichtet wurde (Eichler 2010:179). Seit Mitte der Neunzigerjahre ist der Diodenlaser in den Zahnheilkunde in Gebrauch. Er findet seinen Nutzen nicht nur in der Endodontie sondern kann auch bei überempfindlichen Zahnhälsen, für Fissurenversiegelung, in der Weichgewebschirurgie, zur Aufhellung von Zähnen, bei Periimplantitis oder Parodontitis marginalis angewendet werden (Bach 2007:99ff, Krause, Frenzen 2007:152ff). 3.1 Entwicklung des Diodenlasers Anfang der Achtzigerjahre begann der Einsatz des Diodenlasers mit den sogenannten Therapielasern welche auch als Softlaser oder LLT- Laser, sprich low level laser therapie laser, bezeichnet werden. Ihr Spektrum reicht von 1mW bei 635nm, was in etwa der Intensität eines handelsüblichen Laserpointers entspricht, bis zu 200mW bei 810nm. Im Jahr 1995 wurde das erste Gerät auf den Markt gebracht welches eine Leistung von 6W bei 810nm vorweisen konnte, damit war es erstmalig möglich die thermische Wirkung des Diodenlasers zu nutzen. Bei einer Leistung von 1W ist die Wirkung des Diodenlasers ausgezeichnet für die Dekontamination von parodontalen Taschen und Wurzelkanälen, dies beruht auf die gute Absorption des Lichts in gramnegativen und grampositiven Bakterien. Die Absorption des Lichts betrifft nicht nur Bakterien, auch Hämoglobin absorbiert die Laserstrahlung und dadurch wird die chirurgische Schnittführung bei höherer Energie möglich, welche annähernd blutungsfrei durchführbar ist. In den nächsten Jahren wurde Versucht die Leistung des Diodenlasers im chirurgischen Bereich weiter zu steigern. Die Erhöhung der Lichtenergie auf Watt brachte aber nicht den erwünschten Erfolg. Die Laser zu dieser Zeit arbeiten alle kontinuierlich, sprich im continuous wave mode, und eine Erhöhung der Energie führt schnell zu einer Karbonisierung des Gewebes die mit einer Entstehung von toxischen Nebenprodukten einhergeht. Die Ursache der Karbonisierung ist aber nicht in der Wellenlänge zu suchen sondern ist dem kontinuierlich arbeitenden Laser 23

33 zuzuschreiben, er führt zu einem stetigen Temperaturanstieg im Gewebe. Um die Schnittgeschwindigkeit weiter steigern zu können, ohne das Gewebe zu beschädigen, machte man es den Festkörperlasern nach und simulierte ihr Pulsverhalten. Im Jahr 2000 wurde der erste Versuch gestartet mit einem 810nm Diodenlaser mit einer Ausgangsleistung von 20W und minimalen Pulszeiten von etwa 50µs. Die Zeit zwischen den zwei Pulsen konnte zwischen 100µs und 450µs variiert werden, was einer mittleren Leistung von 2,0-6,7W entspricht. Dadurch konnte die Schnittgeschwindigkeit gesteigert werden und die Nekrosezone um den Schnittbereich um die Hälfte reduziert werden. Auf diese Vorarbeit basierend wurde im Jahr 2002 an der Entwicklung eines 30W Diodenlasers mit einer Pulsdauer von 90µs begonnen. Dadurch konnten bis zu Pulse pro Sekunde erreicht werden und die mittlere Leistung auf maximal 10W begrenzt werden. Seit 10 Jahren wird nun auch versucht den Einsatz des Diodenlasers in der Parodontologie und Endodontie zu verbessern. Hier wird zumeist mit einer Leistung von 1,0W gearbeitet mit dem Ziel den thermischen Effekt so gering wie möglich zu halten und eine so gut wie mögliche Dekontamination der Bakterien zu erzielen (Bach 2007:101ff). 3.2 Aufbau des Diodenlasers und Funktionsprinzip Ein Lasersystem besteht grundsätzlich aus: einem laseraktiven Material der Pumpe dem Resonator (Vahl 1992:19) 24

34 Abbildung 6: Prinzipieller Aufbau eines Lasers (Vahl 1992:19) Generell ist der Laser als ein Lichtverstärker anzusehen. Das Licht welches von einem Laser ausgestrahlt wird weißt eine hohe Energiedichte auf sowie eine räumliche und zeitliche Kohärenz und ist monochromatisch (Vahl 1992:19ff). Der Laserstrahl entsteht in der Hülle der Elektronen. Durch die Zufuhr von Energie werden Elektronen in höhere Bahnen, sprich auf ein höheres Energielevel, angehoben. Dieser Zustand ist nur kurzlebig und durch spontane Emission eines Lichtquantums wird der ursprüngliche Zustand wieder erreicht. Der umgekehrte Vorgang zur Absorption von Lichtquanten ist die Emission von Strahlung. Als stimulierte Emission bezeichnet man das Verlassen des höheren Energieniveaus eines Elektrons durch eine gleichphasige Welle. Dabei strahlt das Elektron ein Lichtquant ab. Das hervorgerufene Licht hat die gleiche Phase, Frequenz und Ausbreitungsrichtung wie das Licht durch welches es ausgelöst wurde. In einem optischen Material, in welches Licht einstrahlt, findet nicht nur Schwächung durch die Absorption statt sondern auch eine Verstärkung des Lichts durch stimulierte Emission. Welcher der beiden Vorgänge überwiegt ist abhängig davon wie viele Atome sich im anregbaren Zustand, bereit zur Absorption, oder im angeregten Zustand, bereit zur spontanten Emission, befinden. Im thermischen Gleichgewicht ist das untere, energieärmere Energieniveau dichter belegt und es dominiert der Prozess der Absorption. Durch das Pumpen erreicht man im Laser eine höhere Besetzung des oberen energiereicheren Niveaus. Die durch Pumpen erreichte Besetzung des oberen Energieniveaus ist nur von kurzer Dauer und springt schnell auf das obere Laserniveau hinunter welches eine relativ lange Lebensdauer hat. 25

35 Dadurch wird die Anreicherung des oberen Laserniveaus gesichert. Um die Überbesetzung des oberen Laserniveaus zu sichern muss das untere Energieniveau eine kurze Lebensdauer haben, damit es rasch entleert wird. In diesem Zustand der Überbesetzung kommt es zuerst zu erhöhten spontanen Emissionen in alle Richtungen. Ist der Laser jedoch in Form eines langgezogenen Zylinders kommt es entlang der Zylinderachse zu mehr stimulierten Übergängen als senkrecht zur Achse. Das bewirkt einen rasanten Anstieg der Strahlung entlang einer Raumrichtung. Wird nun in das Lasermedium eine geeignete optische Rückkoppelungsanlage, wie beispielsweiße zwei Spiegel, angebracht erreicht man eine lange hin- und her Bewegung der Photonen im Laser und wodurch viel Emission induziert wird. Durch die Spiegel kommt es zur Verstärkung der Strahlung im Lasermedium (Tritthart 2001:642ff). Abbildung 7: Energieniveaus eines Lasermediums (Tritthart 2001:645) Wie bereits erwähnt wird der Diodenlaser der Gruppe der Halbleiterlaser zugeordnet. Halbleiter sind zwischen Metallen und Isolatoren einzureihen, bei tiefen 26

36 Temperaturen ist keine Leitfähigkeit vorhanden (Eichler 2010:17). Halbleiter zeichnen sich dadurch aus das ihre Elektronen nicht einzelnen Atomen zugeordnet sind, sondern sich im periodischen Potentialfeld des Kristalls annähernd frei bewegen können (Bach 2007:99). Die Halbleiter werden durch Bänder beschrieben, welche eine Gruppe dicht beieinanderliegender Energieniveaus darstellen. Diese Bänder sind ohne Anregung entweder vollständig mit Elektronen besetzt oder leer. Das am meisten besetzte Band wird als Valenzband bezeichnet und das am wenigsten elektronenbesetzte als Leitungsband. Diese beiden Bänder sind durch die Bandlücke von einander getrennt und erst durch optische oder thermische Anregung kann die Energie eines Elektrons so verändert werden das es vom Valenzband ins Leitungsband übergeht. Bei diesem Prozess entsteht im Valenzband ein Loch wobei die positive Ladung des Atomkerns nicht kompensiert wird, es kann auch im umgekehrten Fall zu einer Vereinigung eines Elektrons aus dem Leitungsband mit dem Loch des Valenzbandes kommen. Dieser Prozess wird als Rekombination bezeichnet. Wird nun Spannung angelegt kommt es zur Verringerung der Potentialdifferenz zwischen den Bänder und die Elektronen im Leitungsband beginnen sich zu bewegen wodurch eine Stromleitung (n-leitung) entsteht. Auch die Löcher im Valenzband bewirken eine elektrische Leitfähigkeit (p-leitung), die dadurch entsteht das die Löcher nacheinander mit Elektronen aufgefüllt werden. Der Fluss von Elektronen und positiven Löchern geht in entgegengesetzte Richtung wobei die Bewegung der Elektronen größer ist. Es entsteht eine schmale Zone, die eine Besetzungsinversion aufweist und in diesen schmalen Bereich ist die Lichtverstärkung und Lasertätigkeit möglich. Für den Einsatz in Diodenlaser werden die Halbleiter dotiert. Die Dotierung ändert die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters. Atome mit mehr Valenzelektronen als das Grundmaterial werden als Donatoren bezeichnet, sie erzeugen einen Überschuss an frei beweglichen Elektronen. Dotiert man hingegen mit Akzeptoren, welche Atome mit weniger Valenzelektronen als das Grundmaterial sind, kommt es zu einem Überschuss an Löchern. Man spricht auch von n-dotierung wenn die Energie auf das Leitungsband verschoben wird und von p-dotierung wenn mehr Energie am Valenzband ist (Eichler 2010:19ff). 27

37 Die laseraktiven Halbleiterschichten werden in verschiedenen Formen angeboten: Homostrukturen Heterostrukturen Quantengraben- und Quantenpunkt Schichten Homostrukturlaser Bei dem Homostrukturlaser besteht die p- und n-schicht aus dem selben Material, welche jedoch unterschiedlich dotiert ist. Der anzubringende Schwellstrom ist für den Homostrukturlaser sehr hoch, ein kontinuierlicher Betrieb ist daher nicht möglich. Die Austretende Strahlung hat eine Divergenz von 30 quer zur aktiven Schicht (Eichler 2010:185). Abbildung 8: Aufbau eines Diodenlasers mit Homostruktur (Eichler 2010:185) Heterostrukturlaser Als aktive Zone dient eine 0,1-0,5µm dicke GaAs-Schicht mit Übergängen zu der n- GaAlAs Bereich und einem p-gaalas Bereich. Durch Verringerung der Schwellstromstärke ist der Strahlenverlust geringer im Vergleich zum Homostrukturlaser. Die Elektronen und Löcher aus der p- und n-schicht werden in die GaAs-Zone übergeleitet und es kommt an dieser Stelle zu einer Überbesetzung. Im Jahr 2000 erhielten die beiden Wissenschafler Zhores I. Alferov und Herbert Kroemer dafür den Physiknobelpreis (Eichler 2010:186). 28