Experimental and numerical analysis of the biomechanical characteristics of orthodontic mini-implants

Abstract

Objective: Mini-implants are being utilised as anchorage units in orthodontic treatment. Nevertheless, there seem to be influencing factors that interfere with their clinical performance. The aim of this study was to experimentally and theoretically examine four different parameters, which may have an influence on the primary stability of orthodontic mini-implants. These were 1) implant type, 2) implant length, 3) implant diameter and 4) insertion angle. <br /> Material and Methods: A total of 90 mini-implants were inserted in fresh segments of bovine ribs. Implants were of two types, the Aarhus and the LOMAS mini-implant, of two lengths (7 mm and 9 mm) and of two diameters (1.5 mm and 2 mm, LOMAS only). A closed NiTi coil-spring was attached to each mini-screw. Half of the preparations were loaded with a low force of 0.5 N, the other half with a high force of 2.5 N. Mini-implant deflections during force application were non-invasively registered using a 3D laser-optical system. A subsequent finite element analysis of the applied force systems and the resulting mini-screw deflections was performed. <br /> Results: In the small force group, implant displacements showed no statistically significant difference according to the investigated parameters. In the high force group the 9mm mini-implants displaced significantly less (mean 11±8 μm) than the 7 mm long (mean 22±11 μm, p<0.01), and the 2 mm wide significantly less (mean 9±2 μm) than the 1.5 mm ones (mean 22±2 μm, p<0.001). The force level where significance occurs was found to be 1 N. LOMAS mini-implants rotated significantly more than the Aarhus mini-implants at all force levels. Intra-observer agreement showed good correlation between experimental and numerical findings.<br /> Conclusion: Implant length and implant diameter become statistically significant influencing parameters on implant stability only when a high force level is applied. Numerical results showed a good correlation to the experimental ones.

<strong>Experimentelle und numerische Untersuchung des biomechanischen Verhaltens orthodontischer Mini-Implantate</strong><br /> Seit einigen Jahren werden verstärkt orthodontische Mini-Schrauben oder Mini-Implantate zur Verankerungsverstärkung eingesetzt. Trotz zahlreicher Vorteile bestehen nach wie vor widersprüchliche Ansichten in Bezug auf Einflussfaktoren, die ihre klinischen Eigenschaften bestimmen. Ziel dieser Untersuchung war es, vier verschiedene Parameter experimentell und theoretisch zu untersuchen, die einen Einfluss auf die Stabilität der Verankerungsschrauben haben könnten. Diese waren: 1) Implantattyp, 2) Implantatlänge, 3) Implantatdurchmesser und 4) Positionierung. Zwei verschiedene Kräfte, eine geringe von 0,5 N und eine höhere von 2,5 N wurden durch eine Nickel-Titan-Zugfeder (NiTi) angelegt.<br /> Das Material bestand aus 90 Mini-Schrauben, die in frische Segmente von Rinderrippen eingesetzt wurden. Jeweils vierzig Aarhus- (American Orthodontics, Wisconsin, USA) und Lomas-Schrauben (Mondeal, Mühlheim, Deutschland) in zwei unterschiedlichen Längen (7 mm, 9 mm) und mit einem Durchmesser von 1,5 mm wurden untersucht. Die Lomas-Schrauben standen in der Länge 7 mm auch mit dem Durchmesser 2 mm zur Verfügung, um den Einfluss des Durchmessers untersuchen zu können. Die Mini-Schrauben wurden mit zwei Winkeln positioniert, jeweils eine Hälfte senkrecht, die andere Hälfte mit einer Angulation von 45° nach mesial. <br /> An den Präparaten wurden Kraft/Auslenkungs-Diagramme im Mobilitäts-Mess-System (MOMS) des Labors der Stiftungsprofessur für Oralmedizinische Technologie, mit Kräften bis 0,5 N und 2,5 N in distaler Richtung gemessen. Die NiTi-Feder wurde auf den Hals des Mini-Implantates an der einen Seite und auf dem mechanischen 3D Kraft/Drehmoment-Sensor an der anderen Seite befestigt. Die Kraftrichtung war parallel zur Knochenoberfläche und zur Horizontalen. Jede Einzelmessung wurde zweimal durchgeführt. Anschließend wurden die Präparate in einem µCT (µCT40, Scanco Medical) gescannt und die Geometrien wurden mit dem speziell für diese Aufgabe entwickelten Programm ADOR-3D rekonstruiert. Die so entwickelten Finite-Elemente(FE)-Modelle wurden im FE-System MSC.Marc/Mentat2007r1 berechnet. Die Statistik umfasste eine univariante Varianzanalyse (three-way ANOVA) zur Analyse des Einflusses der Parameter Schraubentyp, Länge, Positionierung und Kraft, einen Studentschen t-test für die Auswertung des Durchmessers und einen Altman-Bland-Test für den Vergleich der beiden Messdurchgänge und den Vergleich zwischen den experimentellen und numerischen Ergebnissen. Zusätzlich wurde ein Youden-Plot für den Vergleich der experimentellen und numerischen Ergebnisse angefertigt.<br /> Die Ergebnisse zeigten, dass sich das biomechanische Verhalten der Mini-Schrauben zwischen den zwei Kraftgruppen unterschied. Wenn eine geringe Kraft von 0,5 N angewendet wurde, wurden Auslenkungen des Schraubenkopfes von 4 bis 9 µm in Kraftrichtung gemessen, die Rotationen lagen bei 0,006° bis 0,025°. Die Ergebnisse schwankten zwischen den verschiedenen Mini-Implantaten, die Varianzanalyse zeigte jedoch keine statistisch signifikanten Unterschiede in den Auslenkungen. <br /> Bei der Anwendung der höheren Kraft von 2,5 N konnte festgestellt werden, dass die 9 mm langen Mini-Implantate eine statistisch signifikant kleinere Auslenkung (Mittelwert 10±7 μm) als die 7mm langen (Mittelwert 22±11 μm, p<0.01) zeigten, und die 2 mm dicken Implantate auch eine signifikant kleinere (Mittelwert 0.008±0.002mm) als die 1.5 mm dick (Mittelwert 21±1 μm, p<0.001) aufwiesen. Die Kraft, bei der sich die Signifikanz in Bezug auf Implantatlänge und Implantatdurchmesser zeigte, wurde mit 1 N ermittelt. Der Insertionswinkel beeinflusste nicht die Stabilität der Mini-Implantate. Die LOMAS Mini-Implantate zeigten für alle Kräfte dagegen statistisch signifikant stärkere Rotationen als die Aarhus Mini-Implantate. Die numerischen Werten zeigten eine zufriedenstellende Korrelation mit den Messergebnissen, die Abweichungen lagen bei maximal 20%. Dies entspricht dem typischen Fehler einer derartigen FE-Simulation.<br /> Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass in klinischen Situationen, bei denen die angewandte Kraft kleiner als 1 N ist, wie zum Beispiel bei Zahnintrusionen oder indirekter Verankerung, Mini-Implantate mit kleineren Dimensionen zuverlässig eingesetzt werden können. Bei Einsatz höherer Kräfte sind entsprechende Mini-Implantat-Dimensionen entscheidend für die Primärstabilität. Jedoch sind beim klinischen Einsatz sowohl der Abstand der Zahnwurzeln als auch die anatomische Lage sorgfältig zu bedenken.