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Effect of different attachment geometries on the mechanical load exerted by PET‑G aligners during derotation of mandibular canines

An in vitro study
  • F. ElkholyEmail author
  • B. Mikhaiel
  • S. Repky
  • F. Schmidt
  • B. G. Lapatki
Original Article
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Abstract

Aim

Derotation of rounded teeth has proved difficult for aligners to achieve. In this study, we investigated the effect of aligner attachment geometry on the three-dimensional (3D) force and moment (F/M) values exerted during derotation of a mandibular canine.

Materials and methods

The experiment setup comprised an acrylic mandibular arch model with a separated right canine (tooth 43) mounted on a hexapod via a 3D F/M sensor. Polyethylene terephthalate glycol (PET‑G) aligners with thicknesses of 0.5, 0.625, and 0.75 mm were tested in combination with quarter-sphere, vertical-ellipsoid, and pyramidal attachments bonded to tooth 43. The experimentally measured movement consisted of mesio- and distorotation of tooth 43 in 1° steps up to ±15° in each direction.

Results

Compared with no attachment, vertical-ellipsoid and quarter-sphere attachments increased the rotational moment by a median factor of 1.5–12.3. Moment increases for pyramidal attachments were significantly smaller (Mann–Whitney U‑test, p < 0.05). Quarter-sphere attachments inhibited the intrusive forces up to 6.07° distorotation, whereas the intrusion prevention range for most aligner attachment combinations was significantly smaller (2.95° for vertical-ellipsoid and 2.88° for pyramidal attachments; Mann–Whitney U‑test, p < 0.05). None of the attachment geometries could completely prevent intrusive forces during mesiorotation.

Conclusion

The quarter-sphere geometry had the best overall mechanical properties because it induced relatively high rotational moment increases and counteracted unwanted intrusive forces most effectively of all three geometries. The determined maximum attachment dislodgement and intrusion prevention angles of approximately 6° provide a guide to determining setup increments for mandibular canine derotation.

Keywords

Orthodontic appliances Cuspid Attachments Moment Force Thermoplastic appliance 

Einfluss verschiedener Attachmentgeometrien auf die mechanische Belastung durch PET-G-Aligner bei Derotation von unteren Eckzähnen

Eine In-vitro-Studie

Zusammenfassung

Ziel

Die Derotation von rundlich geformten Zähnen ist mit Alignern grundsätzlich schwierig. Ziel unserer Studie war die Evaluation des Einflusses der Attachmentgeometrie auf die von Alignern bei Derotation eines unteren Eckzahnes übertragenen Kräfte und Drehmomente.

Material und Methode

Der Versuchsaufbau bestand aus einem Unterkieferkunststoffmodell mit separiertem Zahn 43, der über einen 3‑D-F/M-Sensor auf einem Hexapoden montiert war. PET‑G(Polyethyleneterephthalateglycol)-Aligner mit Ausgangsdicken von 0,5, 0,625 und 0,75 mm wurden in Kombination mit viertelkugel-, ellipsoid- und pyramidalförmigen Attachments untersucht. Der Bewegungszyklus umfasste eine Mesio- bzw. Distorotation des Zahnes 43 in 1‑Grad-Schritten bis maximal 15 Grad in beide Richtungen.

Ergebnisse

Im Vergleich zu entsprechenden Versuchen ohne Attachment führte die Verwendung von ellipsoid- und viertelkugelförmigen Attachments zu einem um den Faktor 1,5–12,3 erhöhten Rotationsmoment. Pyramidale Attachments zeigten signifikant kleinere Rotationsmomenterhöhungen (Mann-Whitney-U-Test, p < 0,05). Bei Distorotation des Zahnes 43 konnte das Viertelkugelattachment die häufig unerwünschten kollateralen intrusiven Kräfte bis zu einem Rotationsgrad von 6,07º eliminieren, wohingegen dieser sog. Intrusionspräventionsbereich für die anderen Attachements mit 2,95° für die ellipsoiden und 2,88° für die pyramidalen Attachments signifikant kleiner war (Mann-Whitney-U-Test, p < 0,05). Bei Mesiorotation des Zahnes 43 konnte keine der untersuchten Attachmentgeometrien die kollaterale intrusive Wirkung komplett eliminieren.

Schlussfolgerung

Insgesamt zeigte von den 3 untersuchten Attachmentgeometrien die viertelkugelige Form die besten mechanischen Eigenschaften, da sie relativ hohe Rotationsmomente überträgt und unerwünschten intrusiven Kräften am effektivsten entgegenwirkt. Die ermittelten maximalen Rotationsbereiche, ab denen die Attachments aus dem Aligner ausstiegen, und die Intrusionspräventionsbereich von ca. 6° können als Richtlinie für maximale Setupveränderungen bei der Derotation von Unterkiefereckzähnen angesehen werden.

Schlüsselwörter

Kieferorthopädische Apparaturen  Eckzahn  Attachments  Drehmoment Kraft Thermoplastische Apparatur 

Notes

Conflict of interest

F. Elkholy, B. Mikhaiel, S. Repky, F. Schmidt and B.G. Lapatki certify that there is no actual or potential conflict of interest in relation to this article.

References

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Copyright information

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

Authors and Affiliations

  • F. Elkholy
    • 1
    Email author
  • B. Mikhaiel
    • 2
  • S. Repky
    • 3
  • F. Schmidt
    • 1
  • B. G. Lapatki
    • 1
  1. 1.Department of OrthodonticsUlm UniversityUlmGermany
  2. 2.Private practiceWolfschlugenGermany
  3. 3.Institute of StatisticsUlm UniversityUlmGermany

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