Numerical Analyses of Biomechanical Behavior of Various Orthodontic Anchorage Implants

Abstract

Objective:

The quality and quantity of the alveolar process are considered important influential factors affecting the anchorage effectiveness of orthodontic mini-implants. The objective of this study was to establish the effect of various material parameters in regard to various implant types, sizes, and load directions using the finite element method (FEM).

Materials and Methods:

FE models of the following 16 implants by six different manufacturers were made in idealized jaw bone segments with the program system MSC.Marc/Mentat: Åarhus Mini-Implant (American Orthodontics), AbsoAnchor^® (Dentos), Dual-Top™ (Jeil Medical), LOMAS (Mondeal), OrthoImplant (IMTEC), tomas ^® (Dentaurum). The intra-osseous parts of the mini-implants had lengths ranging between 6.7 mm and 10.0 mm, and diameters between 1.2 mm and 2.0 mm. Cortical thicknesses of 1 mm and 2 mm were simulated. The Young’s modulus of cancellous bone was varied between 100 MPa and 1 GPa, the load direction of 0° to 45° in a buccal direction for a load of 5 N. In each case we determined the deflection of the implant head as well as the distribution of stresses and strain in the cortical and cancellous bone.

Results:

Deflections of the implants varied between 2 μm (Åarhus Mini-Implant 11.6 mm × 2.0 mm, 2 mm cortex) and 20 μm (AbsoAnchor^® 12.5 mm × 1.2 mm, 1 mm cortex), the deflection was between 4 μm and 10 μm for most of the implants. The deflections of the implant increased as Young’s modulus of the cancellous bone dropped with a cortical thickness of 1 mm. We did not observe such a correlation with a cortical thickness of 2 mm. We measured the highest loads in the bone in all models when the cortical thickness measured 1 mm and with a Young’s modulus of cancellous bone of 100 MPa. When the load direction was tilted in a buccal direction, the stresses and amount of strain were reduced by as much as 35%.

Conclusion:

We have demonstrated that the cortical thickness is a decisive parameter for the stability of these mini-implants. When the cortical bone is thinner, the mobility becomes increasingly dependent on the Young’s modulus of the cancellous bone. Moreover, the greatest stress and amount of strain occur in the bone when the cortical bone is less thick and Young’s modulus of cancellous bone lower.

Zusammenfassung

Ziel:

Qualität und Quantität des Alveolarknochens gelten als bedeutende Einflussfaktoren auf die Verankerungseffizienz orthodontischer Mini-Implantate. Ziel dieser Untersuchung war es, die Auswirkung unterschiedlicher Materialparameter im Hinblick auf verschiedene Implantattypen und -größen sowie Belastungsrichtungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu ermitteln.

Material und Methodik:

FE-Modelle der folgenden 16 Implantate sechs unterschiedlicher Hersteller wurden in idealisierten Kieferknochensegmenten mit dem Programmsystem MSC.Marc/Mentat erstellt: Åarhus Mini-Implant (American Orthodontics), AbsoAnchor^® (Dentos), DualTop™ (Jeil Medical), LOMAS (Mondeal), OrthoImplant (IMTEC) und tomas ^® (Dentaurum). Der intraossäre Anteil der Mini-Implantate variierte zwischen Längen von 6,7 mm und 10,0 mm, der Durchmesser zwischen 1,2 und 2,0 mm. Es wurden Kortikalisdicken von 1 mm und 2 mm simuliert. Der Spongiosa-Elastizitätsmodul(-E-Modul) wurde zwischen 100 MPa und 1 GPa, die Belastungsrichtung von 0° bis 45° nach bukkal bei einer Last von 5 N variiert. Es wurden jeweils die Auslenkung des Implantatkopfes sowie die Verteilung von Spannungen und Verzerrungen in der Kortikalis und der Spongiosa ermittelt.

Ergebnisse:

Auslenkungen der Implantate variierten zwischen 2 μm (Åarhus Mini-Implant 11,6 mm × 2,0 mm, 2 mm Kortikalis) und 20 μm (AbsoAnchor^® 12,5 mm × 1,2 mm, 1 mm Kortikalis), bei einem Großteil der Implantate lag die Auslenkung zwischen 4 μm und 10 μm. Bei einer Kortikalisdicke von 1 mm stiegen die ermittelten Auslenkungen des Implantates mit sinkendem E-Modul der Spongiosa an. Bei einer Kortikalisdicke von 2 mm konnte dieser Zusammenhang nicht beobachtet werden. Bei allen Modellen konnten für eine Kortikalisdicke von 1 mm und einem Spongiosa-E-Modul von 100 MPa die höchsten Belastungen im Knochen ermittelt werden. Durch das Kippen der Lastrichtung nach bukkal reduzierten sich die Spannungen und Verzerrungen um bis zu 35%.

Schlussfolgerung:

Insgesamt zeigte sich, dass die Kortikalisdicke ein entscheidender Parameter für die Stabilität der untersuchten Mini-Implantate ist. Bei geringer Dicke nimmt die Beweglichkeit in Abhängigkeit vom E-Modul der Spongiosa deutlich zu. Bei geringer Kortikalisdicke und niedrigem Spongiosa-E-Modul werden dabei die höchsten Spannungen und Verzerrungen im Knochen erreicht.