Inactivation of bacteria by high-power 940 nm laser irradiation

Abstract

Background and objective

Diode lasers are used in dentistry for oral surgery or disinfection of root canals in endodontic treatment. The aim of the study was to elucidate the basic mechanism of action in laser-induced root canal disinfection, which could be a photothermal and/or photochemical effect.

Materials and methods

To find out whether high-power NIR laser bacterial killing is caused by the light itself (photochemical effect or direct bacterial heating by selective absorption) or by a general thermal process, bacterial suspensions of a non-pathogenic strain of Escherichia coli were heated in a water bath and by diode laser (940 nm) each with the same temporal temperature course. Furthermore, bacterial suspensions were irradiated during which the temperature was fixed by iced water. Efficacy of bacterial inactivation was determined using double fluorescence labeling to distinguish vital from dead bacteria.

Results

Comparison of bacteria-killing efficacy between laser and water bath-induced heating showed no significant differences. The most important parameter was the maximum temperature achieved during heating. Laser irradiation of bacteria at low temperatures (elimination of temperature effect) did not show any bactericidal effect.

Conclusion

The experiments show that the inactivation of bacteria, at least for E. coli, using high-power 940 nm laser irradiation is solely based on a thermal mechanism. This should be taken into consideration during laser-assisted endodontic disinfection, where efficient bacterial inactivation must be achieved whilst preserving temperature-sensitive neighboring tissue.

Hintergrund und Zielsetzung

Diodenlaser finden in der Zahnheilkunde im Rahmen der Oralchirurgie und der Desinfektion des Wurzelkanals bei der Wurzelkanalbehandlung Verwendung. Das Ziel unserer Studie war, den grundlegenden Mechanismus der Laser-induzierten Desinfektion des Wurzelkanals zu untersuchen, dem sowohl ein photothermischer als auch ein photochemischer Effekt zugrunde liegen könnte.

Material und Methoden

Um herauszufinden, ob die Inaktivierung von Bakterien durch die Laserstrahlung (photochemischer Effekt oder direkte Erhitzung der Bakterien durch selektive Absorption) hervorgerufen wird oder von allgemein thermischer Natur ist, wurden Bakteriensuspensionen eines nicht-pathogenen Stamms von Escherichia coli in vergleichbarer Weise durch Bestrahlung mit einem Diodenlaser (940 nm) oder im Wasserbad erhitzt. In einem weiteren Experiment wurden die Bakteriensuspensionen während der Bestrahlung in Eiswasser gekühlt, um so ein Ansteigen der Temperatur zu verhindern. Die jeweilige Wirkung auf die Vitalität der Bakterien wurde durch anschließende Färbung mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen bestimmt, die die Unterscheidung von lebenden und toten Bakterien erlaubt.

Ergebnisse

Der Vergleich der Wirksamkeit der Bakterien-Inaktivierung durch Erhitzen im Wasserbad oder durch 940 nm-Laserstrahlung zeigte keine Unterschiede. Der wichtigste Parameter ist die durch die Erwärmung erreichte Zieltemperatur der Bakteriensuspension. Die Laserbestrahlung von Bakterien bei gleichzeitiger Kühlung der Suspension (Ausschalten des Effekts der Temperaturerhöhung) führte nicht zu einem Abtöten der Keime.

Schlussfolgerung

Die Ergebnisse zeigen, dass, zumindest bei E. coli, die Inaktivierung von Bakterien durch 940 nm-Laserstrahlung ausschließlich auf einem thermischen Mechanismus beruht. Diese Erkenntnis sollte bei der endodontischen Desinfektion mittels Laser beachtet werden, bei der eine effiziente Inaktivierung von Bakterien gewährleistet sein muss, ohne benachbartes temperaturempfindliches Gewebe zu schädigen.