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Experimental friction and deflection forces of orthodontic leveling archwires in three-bracket model experiments

  • Konstantinos NazirisEmail author
  • Neltje E. Piro
  • Rudolf Jäger
  • Falko Schmidt
  • Fayez Elkholy
  • Bernd G. Lapatki
Original Article
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Abstract

Objective

In vitro testing of archwires in a multibracket model may provide estimates of force–moment (F/M) systems applied to individual teeth in a realistic geometry. Such investigations have mostly been performed by continuous wire deflection, leading to frictional forces biasing the pure deflection forces. Aim of this study was to quantify this bias and the pure deflection forces for leveling archwires.

Materials and methods

Three nickel–titanium (NiTi) and two multistranded wires were tested in a three-bracket model simulating vertical movement of an upper incisor with a typical interbracket distance of 8 mm (intercenter). To determine pure deflection forces, the middle bracket was first leveled incrementally from its vertical malposition to neutral position with repeated wire insertion at each step (so-called “static leveling mode”). For comparison, forces at the middle bracket were also determined during dynamic leveling with or without ligation of the wire at the lateral brackets by either elastic, tight or loose steel ligatures.

Results

The dynamic mode resulted in significantly lower mean leveling forces for all the tested wires (ANOVA [analysis of variance], p < 0.01) compared to the static mode. Expressed in numbers, dynamic wire unloading resulted in mean force underestimation of 53 ± 9% (loose steel ligatures), 56 ± 11% (elastic ligatures) or 91 ± 29% (tight steel ligatures).

Conclusions

Orthodontic tooth movement is quasi-static. This concerns the initial hyalinization phase in particular. Thus, especially static testing of archwires provides valid reference data for the peak forces exerted directly after clinical insertion of a leveling wire. In dynamic wire testing, significant underestimation of actual forces exerted on individual teeth may occur due to experimental friction, which might considerably differ from that occurring during clinical therapy. This aspect has to be taken into account in the interpretation of published stiffness values for orthodontic wires, and in the selection of the appropriate archwire for leveling of the present tooth malposition, respectively.

Keywords

Mechanic Friction Force Stiffness Wire 

Experimentelle Friktion und Deflektionskräfte orthodontischer Nivellierungsbögen im Drei-Bracket-Modell

Zusammenfassung

Ziel

In-vitro-Untersuchungen von kieferorthopädischen Drähten in einem Multibracket-Modell dienen der Abschätzung der auf die einzelnen Zähne applizierten Kraft-Drehmoment(F/M-)Systeme in einer realitätsnahen Geometrie. Bisher wurden solche Untersuchungen zumeist als kontinuierlich zunehmende Drahtdeflektionen durchgeführt. Auftretende Reibungskräfte führen dazu, dass die dabei gemessenen Kraftwerte nicht die reinen Deflektionskräfte der Drähte darstellen. Ziel dieser Studie war es, diesen Bias zu bestimmen und somit die reinen Deflektionskräfte von Nivellierungsdrähten zu quantifizieren.

Materialien und Methoden

Drei Nickel-Titan(NiTi)-Drähte und zwei mehrsträngige Drähte wurden in einem Drei-Bracket-Modell untersucht. Simuliert wurde dabei eine vertikale Bewegung eines oberen Schneidezahnes mit einer typischen Interbracketdistanz von 8 mm (zwischen den Bracketmitten). Zur Bestimmung der reinen Deflektionskräfte ohne Reibung wurde das mittlere Bracket zunächst schrittweise von seiner vertikalen Fehlstellung in die neutrale Position nivelliert und bei jedem Schritt der Draht neu inseriert (sog. statischer Nivellierungsmodus). Zum Vergleich wurden die Kräfte am mittleren Bracket auch während einer kontinuierlichen, d. h. dynamischen Nivellierung ohne bzw. mit Befestigen des Drahtes an den seitlichen Brackets (entweder bei Verwendung elastischer, fest angezogener oder loser Stahlligaturen) bestimmt.

Ergebnisse

Der dynamische Modus ergab im Vergleich zum statischen Modus für alle getesteten Drähte im Durchschnitt signifikant geringere Kräfte (ANOVA [„analysis of variance“], p < 0,01). Quantitativ ausgedrückt lag die durchschnittliche Kraftunterschätzung bei dynamischer Drahtentlastung bei 53 ± 9 % (lose Stahlligaturen), 56 ± 11 % (elastische Ligaturen) bzw. 91 ± 29 % (fest angezogene Stahlligaturen).

Schlussfolgerungen

Die orthodontische Zahnbewegung ist quasi statisch. Dies betrifft insbesondere die initiale Hyalinisationsphase. Die statische Untersuchung kieferorthopädischer Drähte liefert zumindest für diese Phase valide Referenzdaten bezüglich der direkt nach Insertion eines Nivellierungsdrahtes ausgeübten Kräfte. Aufgrund der experimentellen Reibung, die sich erheblich von der klinisch auftretenden Reibung unterscheiden kann, führen dynamische Drahtuntersuchungen dazu, dass die tatsächlich direkt nach Drahtinsertion auf die einzelnen Zähne ausgeübten Kräfte signifikant unterschätzt werden. Dieser Aspekt muss bei der Interpretation der veröffentlichten Kraft- und Steifigkeitswerte für kieferorthopädische Drähte bzw. bei der darauf basierenden Auswahl eines geeigneten Nivellierungsdrahtes für die vorhandene Zahnfehlstellung berücksichtigt werden.

Schlüsselwörter

Mechanik Reibung Kraft Steifigkeit Draht 

Notes

Conflict of interest

K. Naziris, N.E. Piro, R. Jäger, F. Schmidt, F. Elkholy and B.G. Lapatki declare that they have no competing interests.

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Copyright information

© Springer Medizin Verlag GmbH, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  • Konstantinos Naziris
    • 1
    Email author
  • Neltje E. Piro
    • 1
  • Rudolf Jäger
    • 1
  • Falko Schmidt
    • 1
  • Fayez Elkholy
    • 1
  • Bernd G. Lapatki
    • 1
  1. 1.Department of OrthodonticsUniversity of UlmUlmGermany

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