Mechanical properties of different esthetic and conventional orthodontic wires in bending tests

Abstract

Aims

The goal of this study was to determine the mechanical properties of different esthetic and conventional orthodontic wires in three-point and four-point bending tests, and in a biomechanical test employing three bracket systems.

Methods

The behavior of round wires with a diameter of 0.46 mm (0.018″) were investigated: uncoated nickel titanium (NiTi) wires, surface modified NiTi wires; FLI^® Orthonol Wire^® and glass fiber reinforced plastic wires. The biomechanical bending test was performed using the following bracket types: metal brackets (Discovery^®, Dentaurum), ceramic brackets (Fascination^®, Dentaurum), and plastic brackets (Elegance^®, Dentaurum). All bending tests were performed in the orthodontic measurement and simulation system (OMSS) at a temperature of 37 °C. The classical three-point bending test was performed according to an ISO standard (DIN EN ISO 15841:2007) using the appropriate thrust die and supports with a predefined span of 10 mm. In the other tests the supports or interbracket distances were chosen such that the free wire length was also 10 mm (5 mm between adjacent brackets). All wires were loaded centrally to a maximum of 3.1 and 3.3 mm in the biomechanical test, respectively. The force was measured upon unloading with a loading velocity of 1 mm/min. Each specimen was loaded twice and a total of 10 specimens tested for each product. Weighted means and the error of the weighted mean were calculated for each product.

Results

Fiber reinforced wires displayed lowest forces in three-point bending with values of 0.4 N at a displacement of 1 mm and 0.7 N at a 2 mm displacement. In four-point bending the forces were 0.9 N and 1.4 N, respectively, at the same displacements. Almost all of the translucent wires showed fracture upon bending at displacements greater than 3 mm, independent of the bending test and bracket type. The different investigated NiTi wires, surface modified or conventional, only showed minor variation, e.g., 2.2 N for rematitan^® Lite White and 2.0 N for rematitan^®, 2.1 N for FLI^® Coated Orthonol^® and 1.7 N for Orthonol^® in four-point bending. The rhodinized wire generated forces between these values (2.1 N).

Conclusion

The translucent wires had the lowest forces in all three bending tests; however, displacements above 3 mm resulted in increased risk of fracture. Forces of investigated NiTi wires were very high and in part above clinically recommended values.

Zusammenfassung

Ziele

Ziel der Studie war es, die mechanischen Eigenschaften verschiedener ästhetischer und konventioneller kieferorthopädischer Drähte in unterschiedlichen Biegeversuchen zu bestimmen: im klassischen Dreipunkt-Biegeversuch und im Vierpunkt-Biegeversuch, aber auch in einem biomechanischen Biegeversuch unter Einsatz von 3 Brackets.

Methoden

Die Eigenschaften folgender Runddrähte mit einem Durchmesser von 0,46 mm (0.018″) wurden untersucht: unbeschichtete Nickel-Titan(NiTi)-Drähte (rematitan^® Lite, Dentaurum; Orthonol^®, RMO), oberflächenmodifizierte NiTi-Drähte (rematitan^® Lite White, Dentaurum; Plated Esthetik, rhodinized, Dentalline; FLI^® Wire Orthonol^®, RMO) und glasfaserverstärkte Kunststoffdrähte (transluzenter Bogen pearl, Dentaurum). Für den biomechanischen Biegeversuch wurden verwendet: Metall- (Discovery^®, Dentaurum), Keramik- (Fascination^®, Dentaurum) und Kunststoffbrackets (Elegance^®, Dentaurum). Alle Biegeversuche wurden im orthodontischen Mess- und Simulationssystem (OMSS) bei einer Temperatur von 37 °C durchgeführt. Der klassische Dreipunkt-Biegeversuch erfolgte nach der ISO-Norm (DIN EN ISO 15841:2007) unter Einsatz eines vorgeschriebenen Druckstempels und einem Abstand der Stützpunkte von 10 mm. In den anderen Versuchen wurden die Stützpunkte bzw. die Interbracketabstände so gewählt, dass sich ebenfalls eine freie Drahtlänge von 10 mm ergab (5 mm Abstand zwischen den benachbarten Brackets). Alle Drahtproben wurden zentral bis zu einer maximalen Auslenkung von 3,1 bzw. 3,3 mm für den biomechanischen Test belastet. Die Kraft wurde auf dem anschließenden Entlastungsweg bei einer Geschwindigkeit von 1 mm/min gemessen. Jede Probe wurde 2-mal belastet und es wurden von jedem Produkt 10 Proben gemessen, berechnet wurden gewichtete Mittelwerte und der Fehler des gewichteten Mittels.

Ergebnisse

Glasfaserverstärkte Kunststoffbögen erzeugten im Dreipunkt-Biegeversuch mit 0,4 N bei einer Auslenkung von 1 mm und 0,7 N bei 2 mm die niedrigsten Kräfte. Im Vierpunkt-Biegeversuch lagen die Kräfte bei 0,9 und 1.4 N bei den entsprechenden Auslenkungen. Nahezu alle transluzenten Bögen zeigten Brüche bei der Biegeprüfung für Auslenkungen über 3 mm, unabhängig von der Art des Biegeversuchs und des verwendeten Brackettyps. Die unterschiedlichen untersuchten NiTi-Drähte zeigten, unabhängig von der Art der Oberflächenmodifikation bzw. davon ob beschichtet oder nicht, nur geringfügige Unterschiede in ihrem Kraftniveau. So erzeugten z. B. der rematitan Lite White 2,2 N und der rematitan 2,0 N, der FLI^® Coated Orthonol^® 2,1 N und der Orthonol^® 1,7 N im Vierpunkt-Biegeversuch. Der rhodinierte Draht erzeugt vergleichbare Kräfte (2,1 N).

Schlussfolgerungen

Der transluzente Bogen hatte die geringsten Kräfte in allen 3 Biegeversuchen, jedoch zeigte er bei Auslenkungen über 3 mm eine verstärkte Bruchneigung. Die Kräfte der untersuchten NiTi-Drähte waren sehr hoch und teils oberhalb der klinisch empfohlenen Werte.