Dieter Drescher

Parameters Affecting Primary Stability of Orthodontic Mini-implants

Aim:Treatment options in orthodontics have been expanded by skeletal anchorage via mini-implants over the last few years. Sufficient primary stability is imperative to minimize implant loss rate. The aim of this study was to quantitatively analyze the factors influencing primary stability: bone quality, implant-design, diameter, and depth of pilot drilling.Material and Methods:Thirty-six pelvic bone segments (ilium) of country pigs were dissected and embedded in resin. To determine the primary stability, we measured the insertion torque of five different mini-implant types (tomas®-pin [Dentaurum, Ispringen, Germany] 08 and 10 mm, and Dual Top [Jeil Medical Corporation, Seoul, Korea] 1.6 × 8 and 10 mm plus 2 × 10 mm). Twenty-five or 30 implants were inserted into each pelvic bone segment following preparation of the implant sites using pilot drill diameters of 1.0, 1.1, 1.2 and 1.3 mm and pilot drill depths of 1, 2, 3, 6 and 10 mm. Five implants were inserted for reference purposes to establish comparability. Thicknesses of bone compacta were measured via micro-computer tomography.Results:Insertion torques of orthodontic mini-implants and therefore primary stability varied greatly, depending on bone quality, implant-design, and preparation of implant site. Compared with the tomas®-pin, the Dual Top screw showed significantlygreater primary stability. Torque moments beyond 230 Nmm caused fractures of 9 Dual Top screws.Conclusion:Compacta thickness, implant design and implant site preparation have a strong impact on the primary stability of mini-implants for orthodontic anchorage. Depending on the insertion site and local bone quality, the clinician should choose an optimum combination of implant and pilot-drilling diameter and depth.ZusammenfassungEinleitung und Ziel:Die skelettale Verankerung mit Mini-Implantaten hat die Behandlungsmöglichkeiten der Kieferorthopädie in den letzten Jahren stark erweitert. Zur Minimierung der Verlustrate ist es erforderlich, eine ausreichende Primärstabilität zu erzielen. Ziel der Studie war es, die beeinflussenden Faktoren quantitativ zu analysieren: Knochenqualität, Schraubendesign, Pilotbohrtiefe und -durchmesser.Material und Methodik:36 Beckenknochen (Ilium) vom Landschwein wurden präpariert und in Kunststoff eingebettet. Für die Bestimmung der Primärstabilität wurde das Eindrehmoment von fünf verschiedenen Mini-Implantat-Typen (tomas®-pin [Dentaurum, Ispringen, Deutschland] 08 und 10 mm, Dual Top [Jeil Medical Corporation, Seoul, Korea] 1,6 × 8 und 10 mm sowie 2 × 10 mm) gemessen und als Funktion zum Drehwinkel aufgezeichnet. Nach unterschiedlicher Aufbereitung des Implantatlagers (Pilotbohrdurchmesser: 1,0, 1,1, 1,2 und 1,3 mm; Pilotbohrtiefe: 1, 2, 3, 6 und 10 mm) wurden pro Beckenknochen 25 bzw. 30 Implantate gesetzt. Jeweils fünf Referenz-Implantate wurden inseriert, um eine Vergleichbarkeit zwischen den Präparaten herzustellen. Die Dicke der Kompakta wurde mittels Mikro-Computertomographie ermittelt.Ergebnisse:Das Eindrehmoment und damit die Primärstabilität der untersuchten kieferorthopädischen Mini-Implantate zeigte je nach Knochenqualität, Form und Größe des Implantates sowie der Vorbereitung des Implantatlagers große Unterschiede. Die Dual-Top-Schraube erreichte im Vergleich mit dem tomas®-pin eine signifikant höhere Primärstabilität. Bei Eindrehmomenten von über 230 Nmm kam es bei neun Dual-Top-Schrauben zur Implantatfraktur.Schlussfolgerung:Kompaktadicke, Schraubenart und die Vorbereitung des Implantatlagers spielen bei Mini-Implantaten zu Verankerungszwecken in Bezug auf die Primärstabilität eine wichtige Rolle. Je nach der Insertionsregion und der damit verbundenen Knochenqualität sollte eine optimale Kombination von Vorbohrtiefe, Vorbohrdurchmesser und Implantat gewählt werden.

Impact of implant design on primary stability of orthodontic mini-implants.

Aim:Skeletal anchorage with mini-implants has greatly broadened the treatment possibilities in orthodontics over the last few years. To reduce implant failure rates, it is advisable to obtain adequate primary stability. The aim of this study was to quantitatively analyze the impact of implant design and dimension on primary stability.Material and Methods:Forty-two porcine iliac bone segments were prepared and embedded in resin. To evaluate the primary stability, we documented insertion torques of the following miniimplants: Aarhus Screw, AbsoAnchor®, LOMAS, Micro-Anchorage-System, ORLUS and Spider Screw®. In each bone, five Dual Top™ Screws were inserted for reference purposes to achieve comparability among the specimens.Results:We observed wide variation in insertion torques and hence primary stability, depending on mini-implant design and dimension; the great impact that mini-implant diameter has on insertion torques was particularly conspicuous. Conical mini-implants achieved higher primary stabilities than cylindrical designs.Conclusions:The diameter and design of the mini-implant thread have a distinctive impact on primary stability. Depending on the region of insertion and local bone quality, the choice of the mini-implant design and size is crucial to establish sufficient primary stability.ZusammenfassungHintergrund und Ziel:Die skelettale Verankerung mit Mini-Implantaten hat die Behandlungsmöglichkeiten der Kieferorthopädie in den letzten Jahren stark erweitert. Zur Minimierung der Verlustrate ist es erforderlich, eine ausreichende Primärstabilität zu erzielen. Ziel der Studie war es, die Faktoren Schraubendesign und -dimension quantitativ zu analysieren.Material und Methodik:Vom Landschwein wurden 42 Beckenknochen (Ilium) präpariert und in Kunststoff eingebettet. Für die Bestimmung der Primärstabilität wurde das Eindrehmoment von folgenden verschiedenen Mini-Implantat-Typen gemessen: Aarhus Screw, AbsoAnchor®, LOMAS, Micro-Anchorage-System, ORLUS und Spider Screw®. Jeweils fünf Referenz-Implantate (Dual Top™ Screw) wurden pro Knochensegment inseriert, um eine Vergleichbarkeit zwischen den Präparaten herzustellen.Ergebnisse:Das Eindrehmoment und damit die Primärstabilität der untersuchten Mini-Implantate zeigte je nach Design und Größe des Implantates große Unterschiede. Insbesondere der Implantat-Durchmesser verursachte eine starke Veränderung der Eindrehmomente. Konische Mini-Implantate zeigten eine bessere Primärstabilität als zylindrische Designs.Schlussfolgerungen:Der Durchmesser und die Gestaltung des Gewindeanteils von Mini-Implantaten spielen im Hinblick auf die Primärstabilität eine wichtige Rolle. Je nach Insertionsregion und der damit verbundenen Knochenqualität sollte ein geeignetes Implantat gewählt werden, um eine ausreichende Primärstabilität zu erreichen.

Insertion angle impact on primary stability of orthodontic mini-implants.

OBJECTIVE To analyze the impact of the insertion angle on the primary stability of mini-implants. MATERIALS AND METHODS A total of 28 ilium bone segments of pigs were embedded in resin. Two different mini-implant sizes (Dual-Top Screw 1.6 x 8 mm and 2.0 x 10 mm) were inserted at seven different angles (30 degrees , 40 degrees , 50 degrees , 60 degrees , 70 degrees , 80 degrees , and 90 degrees ). The insertion torque was recorded to assess primary stability. In each bone, five Dual-Top Screws were used to compensate for differences in local bone quality. RESULTS The angle of mini-implant insertion had a significant impact on primary stability. The highest insertion torque values were measured at angles between 60 degrees and 70 degrees (63.8 degrees for Dual-Top 1.6 mm and 66.7 degrees for Dual-Top 2.0 mm). Very oblique insertion angles (30 degrees ) resulted in reduced primary stability. CONCLUSIONS To achieve the best primary stability, an insertion angle ranging from 60 degrees to 70 degrees is advisable. If the available space between two adjacent roots is small, a more oblique direction of insertion seems to be favorable to minimize the risk of root contact.

Simulation of orthodontic tooth movements

Orthodontic tooth movements are based on the ability of bone to react to mechanical stresses with the apposition and resorption of alveolar bone. Currently, the underlying biophysical, biochemical, and cellular processes are the subject of numerous studies. At present, however, an analytical description of orthodontic tooth movements including all components of the processes involved seems to be impossible. It was the aim of the present study to develop a mechanics-based phenomenological model capable of describing the alveolar bone remodeling.Thus, 2 different models were developed. The first is based on the assumption that deformations of the periodontal ligament (PDL) are the key stimulus to starting orthodontic tooth movement. The second supposes that deformations of the alveolar bone are the basis of orthodontic bone remodeling. Both models were integrated into a finite element package calculating stresses, strains and deformations of tooth and tooth supporting structures and from this simulating the movement of the tooth and its alveolus through the bone. Clinically induced canine retractions in 5 patients as well as force systems were exactly measured and the tooth movements were simulated using both models.The results show that the first model allows reliable simulation of orthodontic tooth movements, whereas the second is to be rejected.ZusammenfassungKieferorthopädische Zahnbewegungen beruhen auf der Fähigkeit des Knochens, auf äußere mechanische Reize mit einem Umbau des Kieferknochens zu reagieren. Die zugrundeliegenden Vorgänge laufen auf biophysikalischer, biochemischer und zellulärer Ebene ab und sind derzeit Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Eine geschlossene Beschreibung aller an der Zahnbewegung beteiligten Prozesse durch ein analytisches modell erscheint aufgrund der Komplexität zur Zeit nicht möglich. Wesentliche Erkenntnisse können jedoch bereits gewonnen werden, wenn es gelingt, ein auf der Mechanik basierendes Simulationsmodell aufzustellen, das die Knochenumbauvorgänge phänomenologisch darstellt.Zur Beschreibung der orthodontischen Zahnbewegung wurden daher zwei Modelle entwickelt. Grundlage des ersten Modells ist die Annahme, daß der mechanische Schlüsselreiz in Deformationen des parodontalen Ligaments zu sehen ist. Das zweite Modell basiert auf der Hypothese, daß Deformationen der Alveolarwand zum Knochenumbau und damit zur orthodontischen Zahnbewegung beitragen. Diese Modelle wurden in ein Finite-Elemente-Programmsystem integriert, das die Berechnung von Spannungen sowie Deformationen von Zahn und Zahnhalteapparat ermöglicht und hieraus die Bewegung des Zahns durch den Knochen berechnet. Zur Verifizierung wurden bei fünf Patienten Eckzahnretraktionen sowie die klinisch eingesetzten Kraftsysteme genau vermessen und mit Hilfe beider Modelle simuliert.Die Ergebnisse zeigen, daß das erste Modell eine gute Vorhersage der orthodontischen Zahnbewegung erlaubt, während die Annahme, daß die mechanischen Deformationen der Alveolarwand den Knochenumbau mitbestimmen, die klinische Realität nicht zutreffend beschreibt.

Impact of bone quality, implant type, and implantation site preparation on insertion torques of mini-implants used for orthodontic anchorage

Mini-implants are widely used as skeletal anchorage in orthodontics. To reduce implant loss rate, sufficient primary stability is required. This study quantitatively analysed the impact of bone quality and pre-drilling diameter on the insertion torque of five different mini-implants. Twenty pig bone segments were dissected and embedded in resin. The insertion torques of two different mini-implant types (Tomas Pin, Dentaurum, Germany, 8 and 10 mm; and Dual Top, Jeil, Korea, 1.6 mm × 8 and 10 mm plus 2 mm×10 mm) were measured. After preparation of the implant sites using pilot drill diameters 1.0, 1.1, 1.2 and 1.3mm, 30 implants were inserted into each bone segment. Five reference implants were inserted into each segment for comparison. Micro CT evaluated bone compacta thickness. Insertion moments of orthodontic mini-implants, and hence primary stability, varied strongly depending on compacta thickness, implant design, and pre-drilling at the implant site. The Dual Top consistently showed higher primary stability than the Tomas Pin. Insertion moments higher than 230 Nmm resulted in fractures in some cases. Compacta thickness, implant design and preparation of implant site affect the insertion torque of mini-implants for orthodontic anchorage. To avoid fractures and high bone stresses, optimum pre-drilling diameters should be chosen.

Impact of Insertion Depth and Predrilling Diameter on Primary Stability of Orthodontic Mini-implants

OBJECTIVE To test the hypothesis that the impact of the insertion depth and predrilling diameter have no effect on the primary stability of mini-implants. MATERIALS AND METHODS Twelve ilium bone segments of pigs were embedded in resin. After implant site preparation with different predrilling diameters (1.0, 1.1, 1.2, and 1.3 mm), Dual Top Screws 1.6 x 10 mm (Jeil, Korea) were inserted with three different insertion depths (7.5, 8.5, and 9.5 mm). The insertion torque was recorded to assess primary stability. In each bone, five Dual Top Screws were used as a reference to compensate for the differences of local bone quality. RESULTS Both insertion depth and predrilling diameter influenced the measured insertion torques distinctively: the mean insertion torque for the insertion depth of 7.5 mm was 51.62 Nmm (+/-25.22); for insertion depth of 8.5 mm, 65.53 Nmm (+/-29.99); and for the insertion depth of 9.5 mm, 94.38 Nmm (+/-27.61). The mean insertion torque employing the predrill 1.0 mm was 83.50 Nmm (+/-33.56); for predrill 1.1 mm, 77.50 Nmm (+/-27.54); for the predrill 1.2 mm, 61.70 Nmm (+/-28.46); and for the predrill 1.3 mm, 53.10 (+/-32.18). All differences were highly statistically significant (P < .001). CONCLUSIONS The hypothesis is rejected. Higher insertion depths result in higher insertion torques and thus primary stability. Larger predrilling diameters result in lower insertion torques.

Rare earth magnets and impaction

Aberration in the eruption process was found to be a prime etiologic factor in inducing impaction. Thus an ideal treatment approach should attempt to mimic the normal eruption modus. However, conventional traction methods have been found to be associated with gingiva inflammation, bone recession, reduced attached gingiva, periodontal pockets, exposed cementoenamel junction, and root resorption of the impacted and adjacent teeth. These side effects are the result of premature exposure of the impacted tooth to the oral cavity through a nonself-cleansing pathway and an uncontrolled force system. The present study introduces a new, magnetic attraction system, with a magnetic bracket bonded to an impacted tooth and an intraoral magnet linked to a Hawley type retainer. Vertical and horizontal magnetic brackets were designed, with the magnetic axis magnetized parallel and perpendicular to the base of the bracket, respectively. The vertical type is used for impacted incisors and canines, and the horizontal magnetic bracket is applied for impacted premolars and molars. A three-dimensional analysis of the magnetic force system, by means of the OMSS apparatus, found the small magnetic bracket combined with a large pole surface area of the intraoral magnet to exhibit the most efficient convergent guidance. For this report the magnetic eruption device was examined on one animal subject and four patients. The Nd2Fe14B magnets were coated with parylene and/or encapsulated in stainless steel housings. In deep impaction, the magnetic bracket was cold-sterilized before surgery, and the surgical mucoperiosteal flap was then sutured over the bonded magnetic bracket. Attraction was initiated 1 to 2 weeks after healing. Thus tooth emergence into the oral cavity replicated normal eruption conditioning. The system operated at an attractive force level of 0.2 to 0.5 N. Adjustment was accomplished by temporarily interposing a magnetic spacer between the two magnetic units. No side effects were observed in this restricted number of treated cases, and treatment time was reduced. The study recommends the application of magnets in the treatment of impaction on the grounds of less invasive surgical procedure, effective attractive forces at short distances, and controlled spatial guidance.

Pre-drilling Force and Insertion Torques during Orthodontic Mini-implant Insertion in Relation to Root Contact

Background and Aim:The use of mini-implants for skeletal anchorage has greatly broadened the therapeutic spectrum in orthodontics over the last few years. The alveolar ridge is the most frequent insertion site, which however is associated with tooth injury, a risk not to be underestimated. The objective of this study was to examine the quantitative parameters of pre-drilling and implant insertion in association with the degree of a root contact.Material and Methods:Eleven lower jaw bones of adult pigs were prepared and embedded in resin. At 320 sites in the toothbearing alveolar ridge a 1.3 mm pre-drilling was carried out up to the complete implant length. The vertical force exerted against the pre-drilling upon penetration of the different bone layers and at a root contact was measured at a drift-speed of 0.5 mm/s. Dual Top™ screws (1.6 × 8 mm) were then inserted into the prepared implant sites, the insertion torques were measured, and recorded as a function of the rotation angle. After explantation, we prepared histological slides from the level of the implants maximum diameter. The implants contact with cortical and cancellous bone and to the roots was measured and correlated to vertical pre-drilling forces and insertion torques.Results:Vertical pre-drilling forces and insertion torques of orthodontic mini-implants varied in relation to the type of tissue penetrated and the degree of root contact. The insertion torques ranged from 32 to 345 Nmm and pre-drilling forces up to 6 N overall.Conclusion:Root contact can be recognized during pre-drilling by a distinct increase in resistance, and during mini-implant insertion by higher torques.ZusammenfassungHintergrund und Ziel:Die Mini-Implantat-gestützte skelettale Verankerung hat die Behandlungsmöglichkeiten in der Kieferorthopädie in den letzten Jahren stark erweitert. Die häufigste Insertionsregion ist der Alveolarfortsatz, wo eine Zahnverletzung ein nicht zu unterschätzendes Risiko darstellt. Ziel der Studie war es, Vorbohr-Widerstand und Eindrehmomente bei der Insertion kieferorthopädischer Mini-Implantate in Abhängigkeit zu einem Zahnwurzel-Kontakt zu untersuchen.Material und Methodik:Elf Unterkieferknochen von ausgewachsenen Schweinen wurden präpariert und in Kunststoff eingebettet. An 320 Stellen im zahntragenden Alveolarfortsatz wurde eine Vorbohrung mit 1,3 mm Durchmesser für ein Mini-Implantat über die gesamte Implantat-Länge vorgenommen. Bei einer Vortriebsgeschwindigkeit von 0,5 mm/s wurde die vertikale Kraft gemessen, die dem Vorbohrer beim Durchdringen der verschiedenen Knochenschichten und bei einem Wurzelkontakt entgegengesetzt wurde. Anschließend wurden Dual Top™-Schrauben 1,6 mm × 8 mm in das vorbereitete Implantatbett inseriert, das Eindrehmoment gemessen und als Funktion des Drehwinkels aufgezeichnet. Nach Explantation wurden Schnitte in Höhe des maximalen Implantat-Durchmessers angefertigt, zudem wurde der Kontakt von Implantat zu Kompakta, Spongiosa und Zahnwurzel gemessen und in Korrelation zu der vertikalen Vorbohrkraft und dem Eindrehmoment gesetzt.Ergebnisse:Die vertikale Vorbohrkraft und das Eindrehmoment von kieferorthopädischen Mini-Implantaten variierten stark in Abhängigkeit von der Art des durchdrungenen Gewebes und dem Ausmaß eines Zahnwurzelkontaktes. Insgesamt ergaben sich Eindrehmomente in einem Bereich von 32 bis 345 Nmm und vertikale Kräfte bis 6 N.Schlussfolgerung:Der Kontakt mit einer Zahnwurzel lässt sich sowohl bei der Vorbohrung durch einen erhöhten Widerstand als auch bei der Insertion des Mini-Implantates durch ein höheres erforderliches Eindrehmoment bemerken.

Fracture resistance of orthodontic mini-implants: a biomechanical in vitro study

Sufficient primary stability is of importance for the survival of orthodontic mini-implants. This means that adequate torque has to be achieved during insertion. However, as moments exceeding the fracture resistance of a mini-implant may result in their fracture, the maximum torque load capacity should be known. In this study, the threshold torque values resulting in the fracture of various mini-implant types and diameters were evaluated. Forty-one different mini-implants with diameters ranging from 1.3 to 2.0 mm (Aarhus screw, Abso Anchor, Ancora, Bone screw, Dual Top, Lomas, MAS, O.S.A.S, Ortho Easy, Spider Screw, and Tomas pin) were inserted in acrylic glass by a robot system. Ten specimens of each mini-implant type were tested. The insertion torque was measured and the maximum torque at the time of mini-implant fracture was evaluated. Significance of the mean value differences was evaluated by Kruskal-Wallis tests. Fracture moments varied depending on the diameter of the mini-implants. The measured values ranged from 108.9 Nmm (MAS 1.3×11 mm) to 640.9 Nmm (Lomas 2.0×11 mm). The differences were highly statistically significant (P<0.001). The risk of mini-implant fracture should be borne in mind at the time of insertion, especially if mini-implants with a small diameter are employed. To minimize the risk of fracture, pre-drilling should be carried out if the mini-implants are to be inserted at a site with a high bone density.

The influence of bracket design on frictional losses in the bracket/arch wire system.

In arch guidad tooth movement, the essential role played by bracket configuration with respect to sliding friction has been recognized by the manufacturers, a fact which has had an increasing impact on the design and marketing of new bracket models in recent years. The aim of the present in-vitro study was to investigate the influence of different bracket designs on sliding mechanics.Five differently shaped stainless steel brackets (Discovery: Dentaurum, Damon SL: A-Company, Synergy: Rocky Mountain Orthodontics, Viazis bracket and Omni Arch appliance: GAC) were compared in the 0.022II-slot system. The Orthodontic Measurement and Simulation System (OMSS) was used to quantify the difference between applied force (NiTi coil spring, 1.0 N) and orthodontically effective force and to determine leveling losses occurring during the sliding process in arch guided tooth movement. Simulated canine retraction was performed using continuous arch wires with the dimensions 0.019II×0.025II (Standard Steel, Unitek) and 0.020II×0.020II (Ideal Gold, GAC).Comparison of the brackets revealed friction-induced losses ranging from 20 to 70%, with clear-cut advantages resulting from the newly developed bracket types. However, an increased tendency towards leveling losses in terms of distal rotation (maximum 15°) or buccal root torque (maximum 20°) was recorded, especially with those brackets giving the arch wire increased mobility due to their shaping or lack of ligature wire.ZusammenfassungBei der bogengeführten Zahnbewegung ist die Bracketkonfiguration im Rahmen der Gleitreibung ein nicht zu vernachlässigender Faktor, der inzwischen auch von den Herstellerfirmen erkannt wurde. Gestaltung und Vermarktung neuer Brackettypen werden hiervon zunehmend beeinflußt. In der vorliegenden In-vitro-Studie wurde die Bedeutung, die einer unterschiedlichen Bracketgestaltung auf das Gleiverhalten zukommt, untersucht.Fünf Brackettypen aus Stahl mit unterschiedlicher Formgebung (Discovery: Firma Dentaurum, Damon SL: A-Company, Synergy: Firma Rocky Mountain Orthodontics, Viazis-Bracket und Omni Arch Appliance: Firma GAC) wurden im 0.022II-Slot-system gegenübergestellt. Zur quantitativen Bestimmung der Differenz von eingesetzter Kraft (NiTi-Zugfeder, 1,0 N) und orthodontisch wirksamer Kraft sowie der beim Gleitvorgang auftretenden Nivellierungsverluste wurde die bogengeführte Zahnbewegung mit Hilfe des orthodontischen Meß- und Simulations-Systems (OMSS) dargestellt. Die Eckzahnretraktion erfolgte am durchgehenden 0.019II×0.025II-Bogen (Standardstahl, Unitek) sowie am 0.020II×0.020II-Draht (Ideal Gold, GAC).Die Ergebnisse der In-vitro-Studie zeigten für die untersuchten Brackets einen stark unterschiedlichen Kraftverlust von 20 bis 70% der eingesetzten Kraft mit deutlichem Gleitvorteil für die neukonzipierten Brackettypen. Gleichzeitig war jedoch auch festzustellen, daß insbesondere bei den Brackets, bei denen aufgrund ihrer Geometrie sowie der teilweise fehlenden Drahtligatur eine erhöhte Manövrierfähigkeit am Bogen zu ermitteln war, mit verstärkten Nivellierungsverlusten im Sinne einer Distalrotation (maximal 15°) und eines bukkalen Wurzeltorques (maximal 20°) zu rechnen ist.