DOI: https://doi.org/10.1007/s00784-024-05662-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38637429
تاريخ النشر: 2024-04-19
المؤلف: Tarek M. Elshazly وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقويم الأسنان وطب الأسنان الوجهية
نظرة عامة
هدفت الدراسة إلى تقييم تأثير نوع وسمك مادة المحاذاة على توليد القوة وتوزيعها. تم تصنيف ستين جهاز محاذاة إلى ست مجموعات بناءً على المادة والسمك، مع أخذ قياسات القوة باستخدام أفلام Fuji® الحساسة للضغط. أشارت النتائج إلى أن أجهزة المحاذاة متعددة الطبقات أنتجت قيم قوة أقل مقارنةً بأجهزة الطبقة الواحدة، مع ملاحظة أعلى القوى في الثلث الأوسط من جهاز المحاذاة. ومن الجدير بالذكر أن القوة الصافية بين الثلثين القاطع والعنقي لم تظهر اختلافات كبيرة عبر المواد، لكن المواد ذات الطبقة الواحدة أنتجت قوى صافية أعلى بين الثلثين القاطع والوسطى. علاوة على ذلك، أنتجت أجهزة المحاذاة الأكثر سمكًا (0.75 مم) قوى أكبر بكثير من تلك الأقل سمكًا (0.50 مم)، مما يشير إلى أن زيادة السمك تعزز الاحتفاظ وتوليد القوة.
تؤكد النتائج على الآثار البيوميكانيكية لتصميم جهاز المحاذاة في تقويم الأسنان، مما يشير إلى أن المواد ذات الطبقة الواحدة والأكثر سمكًا هي المفضلة للحركة الفعالة للأسنان. تقترح الدراسة بروتوكول علاج مبتكر يتناوب بين المواد متعددة الطبقات وذات الطبقة الواحدة ضمن نفس مرحلة العلاج لتحسين النتائج. ومع ذلك، يعترف المؤلفون بالقيود، بما في ذلك التباين في قياسات القوة وتأثير إدخال وإزالة جهاز المحاذاة على ديناميات القوة. بشكل عام، توفر الأبحاث رؤى حاسمة لأطباء تقويم الأسنان في تخصيص علاجات أجهزة المحاذاة بناءً على متطلبات حركة الأسنان المحددة.
مقدمة
في سياق طب الأسنان الرقمي والتجميلي، اكتسبت أجهزة المحاذاة التقويمية شعبية على الأقواس التقليدية بسبب شفافيتها وراحتها، خاصة بين البالغين المعرضين لمشاكل اللثة. تم تصميم هذه الدعامات القابلة للإزالة والمخصصة لتسهيل حركات الأسنان الدقيقة، عادةً ما تنقل الأسنان بمقدار 0.2 مم أو تدور بحوالي 2° على مدى أسبوع إلى أسبوعين. يمكن أن تتراوح المواد المستخدمة لأجهزة المحاذاة من البوليمرات التقليدية إلى البوليمرات الذكية المتقدمة، ويتأثر السلوك البيوميكانيكي لهذه الأجهزة بعوامل مختلفة، بما في ذلك خصائص المادة والسمك وميزات التصميم. على الرغم من التقدم، لا تزال هناك اختلافات بين النتائج الافتراضية المخطط لها والنتائج السريرية الفعلية، مما يبرز تعقيد أنظمة القوة المعنية.
تستخدم الدراسة أفلام حساسة للضغط للتحقيق في كيفية تأثير تركيبة المادة وسمك أجهزة المحاذاة على القوى المطبقة على السطح الوجهى للسن القاطع المركزي العلوي أثناء الحركات الجسدية المخطط لها. لم يتم استخدام هذه المنهجية، التي تسمح بالقياس المباشر للضغط بين الأسطح، في هذا السياق المحدد من قبل. تهدف النتائج إلى المساهمة في فهم بيوميكانيكا أجهزة المحاذاة، ومعالجة الفجوات في الأدبيات الحالية بشأن العوامل المؤثرة على حركة الأسنان وفعالية أجهزة المحاذاة الشفافة في العلاج التقويمي.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام أفلام حساسة للضغط (فيلم Fuji® Prescale) لقياس القوى المطبقة بواسطة أجهزة المحاذاة التقويمية المصنوعة من مواد مختلفة. تم إنشاء نموذج رقمي لقوس الأسنان العلوي، يشمل جميع الأسنان الستة عشر، ومعالجته باستخدام برنامج ثلاثي الأبعاد متقدم، مما أسفر عن ثلاثة نماذج متميزة لأغراض تجريبية مختلفة. تم تصميم النموذج الأول للتشكيل الحراري، مع ترتيب متناسق للأسنان وكتلة ضحلة لتقليم جهاز المحاذاة بشكل موحد. شمل النموذج الثاني مساحة سكنية تبلغ 100 ميكرومتر حول القواطع لقياسات القوة السلبية، بينما تضمن النموذج الثالث ترجمة وجهية بمقدار 0.2 مم للسن القاطع المركزي الأيمن لقياسات القوة النشطة.
تم تصنيع ما مجموعه 60 جهاز محاذاة من خمسة مواد للتشكيل الحراري، مع سمك ثابت يبلغ 0.75 مم (باستثناء مادة واحدة بسمك 0.89 مم) وتصميم تقليم محدد. تم أخذ قياسات القوة على ثلاثة مستويات على السطح الوجهى للسن القاطع المركزي الأيمن (السن 11): العنقي، والوسطى، والقاطع. حسبت الدراسة القوة المطلقة عن طريق طرح القوى السلبية من القوى النشطة، مما يعكس استجابة المادة للتشوه. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل توزيع القوى بالنسبة لمركز المقاومة لتحديد تأثير المادة والسمك على لحظة القوة ونوع حركة الأسنان الناتجة.
النتائج
في هذه الدراسة، تراوحت قيم القوة النشطة المطبقة عبر السطح الوجهى للسن 11 بين 83.1 و149.7 نيوتن، بينما تراوحت القوى السلبية بين 50.5 و89.8 نيوتن، وسُجلت القوى المطلقة من 24.0 إلى 60.1 نيوتن. ومن الجدير بالذكر أن المواد ذات الطبقة الواحدة (Duran وZendura) أنتجت أعلى قيم للقوة، دون وجود اختلافات كبيرة بينها. في المقابل، أظهرت المواد متعددة الطبقات (CA Pro وZendura FLX وZendura Viva) أدنى قيم للقوة، أيضًا دون اختلافات كبيرة. كان توزيع القوة عبر سطح السن غير متساوٍ، حيث شهد الثلث الأوسط (المشار إليه بـ $F_M$) قوى نشطة أعلى بكثير مقارنةً بالثلثين القاطع ($F_I$) والعنقي ($F_C$).
كشفت التحليلات أن جهاز المحاذاة التقويمي يولد لحظة إمالة للقوة عند الحافة القاطعة، مما يتطلب تطبيق قوى مضادة أقرب إلى مركز المقاومة (CR) للتخفيف من هذا التأثير. تؤكد الدراسة على إمكانية المواد المبتكرة لتعزيز فعالية العلاج التقويمي، على الرغم من أن العديد من الموردين لا يزالون يستخدمون تقنيات التشكيل الحراري التقليدية، مما قد يؤدي إلى تباين في خصائص المواد وعدم دقة في ملاءمة جهاز المحاذاة. تشير النتائج إلى أن المواد ذات الطبقة الواحدة عمومًا تنتج قوى نشطة صافية أعلى مقارنةً بتلك متعددة الطبقات، خاصة عند النظر في القوة النشطة الصافية ($F_I – F_M$). بالإضافة إلى ذلك، أظهرت أجهزة المحاذاة المصنوعة من مادة Duran بسمك 0.75 مم قوى أكبر من تلك التي بسمك 0.5 مم، على الرغم من عدم العثور على اختلاف كبير في القوة النشطة الصافية ($F_I – F_C$) بين هذين السميكين. تسلط هذه الأبحاث الضوء على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في تأثير أنواع وسمك المواد الحرارية على البيوميكانيكا التقويمية لتحقيق نتائج حركة الأسنان الأكثر توقعًا.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل الخصائص البيوميكانيكية لأجهزة المحاذاة التقويمية من خلال نهج منهجي يتضمن التحليل الإحصائي لقياسات القوة. تم قياس القوى المطبقة بواسطة مواد التشكيل الحراري المختلفة على سن قاطع مركزي علوي باستخدام أفلام حساسة للضغط، مع تسجيل القوى النشطة والسلبية عند ثلثي سطح الأسنان المختلفين (العنقي، الأوسط، القاطع). أشارت النتائج إلى أن المواد ذات الطبقة الواحدة، مثل Zendura وDuran، أنتجت قوى مطلقة أعلى مقارنةً بالمواد متعددة الطبقات مثل Zendura Viva وCA Pro، مما يشير إلى أن نوع المادة يؤثر بشكل كبير على توليد القوة. ومن الجدير بالذكر أن الثلث الأوسط من السن أظهر باستمرار أعلى شدة للقوة، مما يتماشى مع النتائج السابقة التي تسلط الضوء على التحديات في تحقيق حركة الأسنان الجسدية بسبب الميل للحركات المائلة.
كما أكدت الدراسة على أهمية سمك جهاز المحاذاة وخصائص المادة في توزيع القوة. أنتجت أجهزة المحاذاة الأكثر سمكًا قوى نشطة وسلبية أعلى بكثير، مما يعزز الحركة الجسدية بشكل أكثر فعالية من أجهزة المحاذاة الأقل سمكًا. ومع ذلك، اعترفت الدراسة بالقيود، بما في ذلك التباين في قياسات القوة بسبب حساسية أفلام الضغط وتأثير القوى الخارجية أثناء إدخال وإزالة جهاز المحاذاة. يقترح المؤلفون بروتوكولًا سريريًا يتناوب بين المواد متعددة الطبقات المرنة والمواد ذات الطبقة الواحدة الصلبة لتحسين نتائج العلاج، خاصةً لحركات الأسنان الجسدية. يتم تشجيع الأبحاث المستقبلية لاستكشاف تأثيرات ملحقات جهاز المحاذاة ودمج تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع أجهزة المحاذاة، مما قد يعزز التحكم في التصميم وتطبيق القوة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00784-024-05662-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38637429
Publication Date: 2024-04-19
Author(s): Tarek M. Elshazly et al.
Primary Topic: Orthodontics and Dentofacial Orthopedics
Overview
The study aimed to evaluate the impact of aligner material type and thickness on force generation and distribution. Sixty aligners were categorized into six groups based on material and thickness, with force measurements taken using Fuji® pressure-sensitive films. Results indicated that multi-layered aligners produced lower force values compared to single-layered ones, with the highest forces observed in the middle third of the aligner. Notably, the net force between the incisal and cervical thirds showed no significant differences across materials, but single-layered materials yielded higher net forces between the incisal and middle thirds. Furthermore, thicker aligners (0.75 mm) generated significantly greater forces than thinner ones (0.50 mm), suggesting that increased thickness enhances retention and force generation.
The findings underscore the biomechanical implications of aligner design in orthodontics, indicating that single-layered, thicker materials are preferable for effective bodily tooth movement. The study proposes an innovative treatment protocol that alternates between multi-layered and single-layered materials within the same treatment phase to optimize outcomes. However, the authors acknowledge limitations, including the variability in force measurements and the influence of aligner insertion and removal on force dynamics. Overall, the research provides critical insights for orthodontists in customizing aligner treatments based on specific tooth movement requirements.
Introduction
In the context of digital and aesthetic dentistry, orthodontic aligners have gained popularity over traditional braces due to their transparency and comfort, particularly among adults susceptible to periodontal issues. These custom-made, removable splints are designed to facilitate precise tooth movements, typically translating teeth by 0.2 mm or rotating them by approximately 2° over one to two weeks. The materials used for aligners can range from conventional polymers to advanced smart polymers, and the biomechanical behavior of these aligners is influenced by various factors, including material properties, thickness, and design features. Despite advancements, discrepancies remain between planned virtual outcomes and actual clinical results, highlighting the complexity of the force systems involved.
The study employs pressure-sensitive films to investigate how the material composition and thickness of aligners affect the forces exerted on the facial surface of a maxillary central incisor during planned facio-lingual bodily movements. This methodology, which allows for direct measurement of pressure between surfaces, has not been previously utilized in this specific context. The findings aim to contribute to the understanding of aligner biomechanics, addressing gaps in the existing literature regarding the factors influencing tooth movement and the efficacy of clear aligners in orthodontic treatment.
Methods
In this study, pressure-sensitive films (Fuji® Prescale Film) were utilized to measure the forces exerted by orthodontic aligners made from various materials. A digital model of the upper dental arch, encompassing all sixteen teeth, was created and processed using advanced 3D software, resulting in three distinct models for different experimental purposes. The first model was designed for thermoforming, featuring an aligned arrangement of teeth and a shallow depression for standardized aligner trimming. The second model included a 100 μm housing space around the incisors for passive force measurements, while the third model involved a 0.2 mm facial translation of the right central incisor for active force measurements.
A total of 60 aligners were fabricated from five thermoforming materials, with a consistent thickness of 0.75 mm (except for one material at 0.89 mm) and a specific trimming design. Force measurements were taken at three levels on the facial surface of the right central incisor (Tooth 11): cervical, middle, and incisal. The study calculated the absolute force by subtracting passive forces from active forces, which reflects the material’s response to deformation. Additionally, the distribution of forces relative to the center of resistance was analyzed to determine the impact of material and thickness on the moment of force and the resulting tooth movement type.
Results
In this study, the active force values exerted across the facial surface of tooth 11 ranged from 83.1 to 149.7 N, while passive forces varied between 50.5 and 89.8 N, and absolute forces were recorded from 24.0 to 60.1 N. Notably, single-layered materials (Duran and Zendura) produced the highest force values, with no significant differences between them. In contrast, multilayered materials (CA Pro, Zendura FLX, and Zendura Viva) exhibited the lowest force values, also without significant differences. The force distribution across the tooth surface was uneven, with the middle third (denoted as $F_M$) experiencing significantly higher active forces compared to the incisal ($F_I$) and cervical thirds ($F_C$).
The analysis revealed that the orthodontic aligner generates a tipping moment of force at the incisal edge, necessitating counteracting forces applied closer to the center of resistance (CR) to mitigate this effect. The study emphasizes the potential of innovative materials to enhance orthodontic treatment efficacy, although many suppliers still utilize conventional thermoforming techniques, which may lead to variability in material properties and inaccuracies in aligner fit. The findings indicate that single-layered materials generally produce higher net active forces compared to multilayered ones, particularly when considering the net active force ($F_I – F_M$). Additionally, aligners made from Duran material at a thickness of 0.75 mm demonstrated greater forces than those at 0.5 mm, although no significant difference was found in the net active force ($F_I – F_C$) between these thicknesses. This research highlights the need for further investigation into the impact of thermoplastic material types and thicknesses on orthodontic biomechanics to achieve more predictable tooth movement outcomes.
Discussion
In this study, the biomechanical properties of orthodontic aligners were analyzed through a systematic approach involving statistical analysis of force measurements. The forces exerted by various thermoformed materials on a maxillary central incisor were quantified using pressure-sensitive films, with active and passive forces recorded at different tooth surface thirds (cervical, middle, incisal). The results indicated that single-layered materials, such as Zendura and Duran, produced higher absolute forces compared to multi-layered materials like Zendura Viva and CA Pro, suggesting that material type significantly influences force generation. Notably, the middle third of the tooth consistently exhibited the highest force intensity, which aligns with previous findings that highlight the challenges of achieving bodily tooth movement due to the tendency for tipping movements.
The study also emphasized the importance of aligner thickness and material properties in force distribution. Thicker aligners generated significantly higher active and passive forces, promoting bodily movement more effectively than thinner aligners. However, the study acknowledged limitations, including the variability in force measurements due to the sensitivity of pressure films and the impact of external forces during aligner insertion and removal. The authors propose a clinical protocol that alternates between flexible multi-layered and rigid single-layered materials to optimize treatment outcomes, particularly for bodily tooth movements. Future research is encouraged to explore the effects of aligner attachments and the integration of 3D printing technology in aligner fabrication, which may enhance control over design and force application.