Biomechanical Properties of Orthodontic Miniscrews. An In-vitro Study

Abstract

Objective:

Comparing five commercially-available miniscrew types for skeletal anchorage with regard to the biomechanical properties influencing their primary stability.

Material and Methods:

Included in this study was a total of 196 self-tapping and self-drilling miniscrews having a diameter of 2 mm (or the largest possible diameter of the manufacturer in question), a thread shaft length of 10 mm, or the longest miniscrew supplied by the manufacturers. The screw types tested were the FAMI 2, Orlus mini-implant, T.I.T.A.N. Pin, tomas^®-pin and Vector TAS™. Insertion and loosening torque measurements, and pullout tests in axial (0°), 20° and 40° directions, as well as test series with and without pilot hole drilling were performed. Bovine femoral heads having the same bone mineral density (BMD) were used as bone-testing material.

Results:

Higher insertion torques were found for the cylindrical FAMI 2 screw, the conical Orlus mini-implant and the Vector TAS™ screw (with mean values of 39.2 Ncm, 32.1 Ncm and 49.5 Ncm) than for the cylindrical T.I.T.A.N. pin and tomas^®-pin. Insertion without predrilling led the insertion torques of all five screws to rise significantly. We noted statistically significant differences among the five screws in the pullout tests. Those highly significant differences at axial (0°) and 20°angles were not apparent at the 40° pullout angle. Compared with the pullout forces (load) in the axial direction, the cylindrical screws’ load values decreased markedly according to the angle (by up to –46.6%). The reduction in pullout force in conjunction with an increasing angle was much less pronounced in the conical screws (–0.8% to –29.0%). The tomas^®-pin demonstrated the highest pullout force and stiffness values throughout the tests. A total of five tomas®-pins, two Orlus mini-implants and one FAMI 2 screw fractured during the pullout tests.

Conclusions:

Results from our insertion torque measurements suggest that a conical screw design will provide greater primary stability than cylindrical screw types. The cylindrical screw design’s superiority was evident in the pullout tests. All the miniscrews’ primary stability rose after drill-free insertion. The tomas ^®-pin screws, although biomechanically superior to the other screws, were most prone to fracture.

Zusammenfassung

Ziel:

Ziel dieser Studie war der Vergleich fünf handelsüblicher Minischraubentypen zur skelettalen Verankerung hinsichtlich ihrer die Primärstabilität beeinflussenden biomechanischen Eigenschaften.

Material und Methodik:

Insgesamt wurden 196 zugleich selbstschneidende und selbstbohrende Minischrauben mit einem Durchmesser von 2 mm oder mit dem größtmöglichen Durchmesser des jeweiligen Fabrikats und einer Gewindeschaftlänge von 10 mm oder die längste von den Herstellern angebotene Minischraube, darunter die Schraubentypen FAMI 2, Orlus Mini- Implant, T.I.T.A.N. Pin, tomas^®-pin und Vector TAS™, untersucht. Es wurden Eindrehmoment-, Lösemomentmessungen und Ausreißversuche in axialer (0°) sowie in 20°- und 40°-Zugrichtung durchgeführt sowie Testreihen mit und ohne Pilotbohrung vorgenommen. Als Knochentestmaterial wurden bovine Femurköpfe mit der gleichen Knochendichte (BMD) verwendet.

Ergebnisse:

Im Vergleich zu dem zylindrischen T.I.T.A.N. Pin und tomas^®-pin waren die Eindrehmomente für die zylindrische FAMI-2-Schraube, das konische Orlus Mini-Implant und die Vector- TAS™-Schraube (mit Durchschnittswerten von 39,2 Ncm, 32,1 Ncm und 49,5 Ncm) höher. Bei der Insertion ohne Vorbohrung konnten die Eindrehmomente aller fünf Schraubentypen statistisch signifikant erhöht werden. In den Ausreißversuchen ergaben sich statistisch signifikante Unterschiede zwischen den fünf Schraubentypen. Die hochsignifikanten Unterschiede, die zwischen den fünf Schrauben für die Ausreißkräfte in axialer (0°) und 20°-Zugrichtung festgestellt wurden, waren für die Werte in 40°-Zugrichtung nicht ersichtlich. Verglichen mit den Ausreißkräften in axialer Zugrichtung, verringerten sich die Ausreißkräfte bei den zylindrischen Schrauben mit dem Winkel deutlich (um bis zu –46,6%). Bei den konischen Schrauben war die Abnahme der Ausreißkräfte mit steigendem Winkel deutlich geringer (–0,8% bis –29,0%). Der tomas®-pin erreichte in allen Testungen die höchsten Werte für Ausreißkraft und Steifigkeit. Insgesamt fünf tomas^®-pins, zwei Orlus Mini-Implants und eine FAMI-2- Schraube frakturierten in den Ausreißversuchen.

Schlussfolgerung:

Der konische Schraubentyp weist bei den Eindrehmomentmessungen im Gegensatz zu den zylindrischen Schraubentypen eine höhere Primärstabilität auf. In den Ausreißversuchen war eine Überlegenheit der zylindrischen Schraubentypen zu erkennen. Durch die Insertion ohne Vorbohrung konnte die Primärstabilität bei allen Minipins gesteigert werden. Der tomas^®-pin war trotz biomechanischer Überlegenheit gegenüber den anderen Schraubentypen am frakturanfälligsten.