H. A. Schumacher

Frictional forces between bracket and arch wire

Guiding a tooth along an arch wire results in a counteracting frictional force. Clinically, a mesiodistally applied force must exceed the frictional force to produce a tooth movement. A friction-testing assembly simulating three-dimensional tooth rotations was constructed to study factors affecting friction magnitude. Five wire alloys (standard stainless steel, Hi-T stainless steel, Elgiloy blue, nitinol, and TMA) in five wire sizes (0.016, 0.016 x 0.022, 0.017 x 0.025, 0.018, and 0.018 x 0.025 inch) were examined with respect to three bracket widths (2.2, 3.3, and 4.2 mm) at four levels of retarding force (0, 1, 2, and 3 N). The following factors affected friction in decreasing order: retarding force (biologic resistance), surface roughness of wire, wire size (vertical dimension), bracket width, and elastic properties of wire. The study recommends the application of 0.016 x 0.022 inch stainless steel wire combined with a medium (3.3 mm) or wide (4.2 mm) bracket for an arch-guided mechanism with an 0.018 inch slot. The effective force of this arrangement has to increase twofold to overcome the friction. For TMA wire, however, the effective force must increase sixfold, resulting in a hazardous overload of the anchorage units.

Deaktivierungsverhalten und Effektivität verschiedener orthodontischer Nivellierungsbögeneine dynamische Analyse der Kraftsysteme

ZusammenfassungDas Deaktivierungsverhalten verschiedener orthodontischer Nivellierungsbögen wurde unter Verwendung des orthodontischen Meß- und Simulationssystems (OMSS) untersucht. Für verschiedene initiale Fehlstellungen des Zahnes 21 (1 mm und 2 mm Infraokklusion, 20o Angulation) und unter Verwendung unterschiedlicher Ligaturen wurden die erzeugten Kräfte und Drehmomente sowie die Nivellierungseffektivität quantitativ erfaßt. Die Ergebnisse erlauben folgende Aussagen: Je nach Typ des einligierten Nivellierungsbogens kommt es bei großem vertikalen Niveauunterschied mit bis zu 3,8 N zu sehr hohen initialen Extrusionskräften, die bei Deaktivierung steil abfallen. Primäre Ursache für diesen Kraftabfall ist die Friktion, die der Draht bei der Rückstellung des deflektierten Bogensegments im Bracket-Ligaturen-Komplex des Verankerungsblocks erfährt. Das Ausmaß des Kraftverlustes variiert je nach Bogentyp und kann bei Verwendung einer gelockerten Stahlligatur mit durchschnittlich 50% angegeben werden. Bei kleineren Niveauunterschieden liegen die extrusiven Kräfte nach Einsetzen der Friktion zwischen 0,2 N und 0,8 N. Die untersuchten Multiloopbögen aus 0,016″ Standard-Stahldraht zeigen keinen Einfluß der Friktion auf den Kraftverlauf während der Bewegung. Für diese Bögen wurden die höchsten extrusiven Kräfte mit Werten von über 3,0 N ermittelt. Bei einer Angulation des Zahnes konnten initiale Aufrichtemomente zwischen 3,0 Nmm und 33,0 Nmm gemessen werden, wobei auch hier die Loopbögen dominieren. Um hinreichend große Aufrichtemomente bei gleichzeitigem vertikalen Niveauunterschied zu erzeugen, müssen hohe vertikale Kräfte akzeptiert werden. Die dynamische Analyse der Zahnbewegung zeigt, daß für jeden Bogentyp unterschiedliche vertikale oder anguläre Nivellierungsdefizite resultieren. Eine generelle Korrelation zwischen Kraft- bzw. Drehmomentgröße und erzielter Nivellierung ist nicht abzuleiten. Es kann keine Präferenz eines speziellen Bogentyps gegeben werden.SummaryUsing the orthodontic measuring and simulation system (OMSS), the deactivation behaviour of diverse orthodontic levelling arches was investigated. The vertical forces and uprighting moments, as also the levelling effectiveness for initial malalignments of tooth 21 (1 mm and 2 mm infraocclusion, 20o angulation) were measured, with the influence of various ligatures used in clinical practice being taken into account. The results may be summarized as follows: In the case of a large vertical offset (infraocclusion) the vertical forces can attain values of up to 3.8 N, depending on the type of levelling arch used. On deactivation, we can observe a sharp decrease in force caused by the frictional resistance between bracket and arch wire, which has to be overcome by the wire. The loss of desired force caused by friction may be as much as 50%, and is determined by the arch wire, bracket and mode of ligation. A smaller vertical offset (infraocclusion) (1 mm) is associated with extrusive forces of 0.2N–0.8N. Using looped levelling arches made of 0.016″ standard steel wire, there is no frictional loss of orthodontic force, so that the highest vertical forces (more than 3.0 N) are observed with these arch wires. With an initial angulation of the tooth of about 20o, uprighting moments of between 3.0 Nmm and 33.0 Nmm are measured, the looped arches again generating the highest moments. To ensure adequate uprighting moments in a combination of vertical offset (infraocclusion) and angulation, very high extrusive forces must be accepted. As a dynamic analysis of the tooth movement with the OMSS shows the use of a specific arch wire results in a typical levelling defect. There is no general correlation between extrusive force or uprighting moment and the levelling effectiveness of an orthodontic arch. It is not possible to recommend an particular levelling arch.

[The loss of force by friction in arch-guided tooth movement].

ZusammenfassungBei der bogengeführten Zahnbewegung geht stets ein Teil der Kraft durch Friktion verloren. Zur quantitativen Bestimmung des Kraftverlustes wurde eine Apparatur eingesetzt, die die bogengeführte Zahnbewegung mit Hilfe eines dreidimensional beweglichen Zahns simuliert. Fünf verschiedene Drahtlegierungen in fünf Dimensionen wurden in Kombination mit drei verschieden breiten Brackets vermessen. Unter günstigen Verhältnissen beträgt das Verhältnis von angelegter zu orthodontisch wirksamer Kraft 2,3. Die erzeugte Friktion verhält sich proportional zum vertikalen Drahtdurchmesser. Breitere Brackets erzeugen weniger Friktion als schmale. Die von den verschiedenen Legierungen erzeugte Friktion ist deutlich verschieden. Wichtigste Materialeigenschaft zur Minimierung der Friktion ist die Oberflächenrauhigkeit.SummaryEmploying arch guided tooth movement always results in a loss of force by friction. In order to quantify the loss of force, an apparatus was designed featuring a simulated tooth with full three dimensional mobility. Five different wire alloys in five wire dimensions were combined with three brackets of different widths. Under optimal circumstances the ratio of applied force to orthodontically effective force was 2.3. In respect to the wire dimension the generated friction primarily depends on the vertical diameter. Wide brackets generate less friction than narrow ones. There are significant differences between the examined wire alloys. To minimize friction, a low surface roughness is of high importance.Employing arch-guided tooth movement always results in a loss of force by friction. In order to quantify the loss of force, an apparatus was designed featuring a simulated tooth with full three dimensional mobility. Five different wire alloys in five wire dimensions were combined with three brackets of different widths. Under optimal circumstances the ratio of applied force to orthodontically effective force was 2.3. In respect to the wire dimension the generated friction primarily depends on the vertical diameter. Wide brackets generate less friction than narrow ones. There are significant differences between the examined wire alloys. To minimize friction, a low surface roughness is of high importance.

Bogengeführte Zahnbewegung — Dynamik, Effektivität und Nebenwirkungen

ZusammenfassungIm Rahmen der vorliegenden Studie werden die Einflüsse der Parameter Drahtdimension (Rund- oder Kantdraht), krafterzeugendes Element (elastische Kette, Zugfeder, Zugfeder am Powerhook, Zugfeder mit Aufrichtefeder), Bracket (schmal, breit) und Lage des Wderstandszentrums auf die Bewegungseffektivität und Nivellierungsverluste (Kippung, Rotation, Extrusion) bei der bogengeführten Eckzahnretraktion untersucht. Neben Messungen am Stahldraht wurden vergleichsweise auch verseilte Drähte und Nickel-Titan-Drähte einbezogen. Die Simulation der Bewegung erfolgte mit Hilfe des orthodontischen Meßund Simulationssystems (OMSS). Die für das 0,018-Inch-Slotsystem ermittelten Ergebnisse bestätigen das allgemein übliche klinische Vorgehen der Eckzahndistalisation an einem 0,016×0,022-Inch-Vierkantstahlbogen, solange man mit der bogengeführten Technik arbeitet. Empfehlenswert ist der Einsatz einer Nickel-Titan-Zugfeder. Durch ihre relativ konstante Kraft über einen großen Aktivierungsbereich ermöglicht sie eine effektivere Distalisierung als eine elastische Kette. Bei Anwendung eines Powerhook bzw. einer Aufrichtefeder lassen sich Nivellierungsverluste weitgehend vermeiden und somit eine körperliche Bewegung am ehesten garantieren. Der Distalisierungseffekt wird dabei jedoch nur unwesentlich verstärkt. Die Gefahr eines zu groß gewählten Antitipmomentes ist streng zu beachten. Einen deutlichen Einfluß auf die Bewegungseffizienz zeigt die Lage des Widerstandszentrums. Je weiter apikal das Widerstandszentrum lokalisiert ist, wie beispielsweise bei einer längeren Zahnwurzel, desto geringer erweist sich die Distalisierungseffektivität. Gute Ergebnisse in bezug auf die Effizienz der Distalisierung wurden in Verbindung mit einem verseilten Bogen ermittelt. Seine Anwendung ist jedoch wegen zu starker Nivellierungsverluste in der Führungsphase abzulehnen.SummaryCanine retraction on a continuous arch wire was simulated using the OMSS. The influence of wire dimension, force generating element (power chain, coil spring, powerhook, uprighting spring), bracket width and the position of the center of resistance on the effectiveness of the distalization of the canine and its side effects such as extrusion, rotation and tipping were examined. Stainless steel, nickel titanium and multistranded wires were tested. Employing the 0.018″-slot system, the use of an 0.016″×0.022″-arch wire gave the best results. Comparing the NiTi coil spring with the elastic chain, the former should be preferred, because, due to its low load deflection it generates a nearly constant force over a wide range of activation. Using powerhooks or uprighting springs, a nearly bodily movement could be achieved. On the other hand, friction may increase if the uprighting is too strong. The rate of tooth movement decreases by increasing length of tooth root represented by the position of the center of resistance. Arch guided tooth movement along multi-stranded wires shows a high effectiveness, nevertheless, these wires should not be used for canine retraction because of the above mentioned side effects.

Frictional forces when rectangular guiding arches with varying edge bevel are employed.

In orthodontic treatment employing arch guided tooth movement, rectangular wires are usually used to achieve three-dimensional controlled tooth movement. In the intention to optimize sliding mechanics and to improve the comfort of patients, edge beveled rectangular orthodontic wires are offered by different manufacturers. The objective of the study presented was to investigate the influence of differing but defined wire roundings on sliding mechanics of canine retraction. Employing the 0.018″ slot system, 0.016″×0.022″ standard steel wires (Remaloy and Remanium, Dentaurum Comp.) were tested. Force loss due to friction during canine retraction was determined using the Orthodontic Measurement and Simulation System (OMSS). In the arch guided distalization of canines, the average loss of force caused by friction was determined to be approximately 50%. Comparing wires with different edge bevel, the rounded wire in contrast to the wire with sharpest edge configuration results in a reduction of friction. Even a moderate wire rounding of the 0.016″×0.022″ steel wire results in about 10% reduction in frictional losses. However, dynamic analysis of tooth movement with the OMSS shows that there is no further improvement of sliding mechanics using wires with edge bevel exceeding the standard rounding of rectangular wires. In contrast, a strong edge bevel may result in a considerable loss of leveling.ZusammenfassungBei der bogengeführten Zahnbewegung kommen in der Regel Vierkantbögen zum Einsatz, um eine räumlich kontrollierte Zahnbewegung zu gewährleisten. Kantenverrundete orthodontische Drähte werden von den Herstellern mit dem Vorzug einer Optimierung der Gleitmechanik und einer angeblichen Erhöhung des Patientenkomforts angeboten. Im Rahmen der vorliegenden In-vitro-Studie wird der Einfluß einer unterschiedlich starken, jedoch definierten Kanten-verrundung auf das Gleitverhalten eines bogengeführten Eckzahns untersucht. Die Retraktion des Eckzahns erfolgt in der vergleichenden Gegenüberstellung von 0.016″×0.022″ Standard-Stahl-Drähten (Remaloy und Remanium, Fa. Dentaurum) unter Verwendung des 0.018″-Slotsystems. Mit Hilfe des Orthodontischen Meß- und Simulationssystems (OMSS) wird das am Eckzahn angreifende Kraftsystem gemessen und die Differenz zwischen eingesetzter und orthodontisch wirksamer Kraft als Ausmaß der Reibung bestimmt. Die ermittelten Ergebnisse erlauben folgende Aussagen: Durchschnittlich muß bei der Eckzahnretraktion mit einem friktionsbedingten Kraftverlust von etwa 50% der eingesetzten Kraft (1 N in dieser Untersuchung) gerechnet werden. In der Gegenüberstellung der unterschiedlich stark kantenverrundeten Drähte erweist sich der verrundete gegenüber dem scharfkantigen Draht als gleitfreudiger. Schon durch eine moderate Kantenverrundung eines 0.016″×0.022″-Drahtes läßt sich der reibungsbedingte Kraftverlust um etwa 10% reduzieren. Es ist jedoch wichtig festzustellen, daß eine über das normale Ausmaß hinausgehende Kantenverrundung keine nennenswerte zusätzliche Optimierung des Gleitvorgangs bewirkt, jedoch mit einer Reduzierung der Torquekontrolle des Drahtes die Gefahr von Nivellierungsverlusten dritter Ordnung gegeben sein kann.

Analyse der Kräfte und Drehmomente bei der bogengeführten Mesialisierung der unteren Molaren unter Anwendung von inter- und intramaxillären Gummizügen

ZusammenfassungBei der bogengeführten Mesialbewegung unterer Molaren zählen Klasse-I- und Klasse-II-Gummizüge zu den bewährten, aber auch risikobehafteten aktiven Elementen im Rahmen des Lückenschlusses, denn die vertikale Komponente der Klasse-II-Gummizüge verändert die zum Lückenschluß angestrebte sagittale Kraft- und Bewegungsrichtung. Im Rahmen der vorliegenden In-vitro-Studie werden das Friktionsverhalten und die Bewegungsdynamik der bogengeführten Protraktion des unteren ersten Molaren unter dem.Einfluß von Klasse-I- und unterschiedlichen Klasse-II-Gummizug-Geometrien mit Hilfe des orthodontischen Meß- und Simulations-Systems (OMSS) untersucht. Der Kraftlinienverlauf variiert dabei in einem Angulationsbereich von 0° bis 40° zur Bogenebene. Die beiden Kraftstufen 1 N und 2N werden gegenübergestellt. Bei der Gleitphase des bogenendständigen Molaren bewirkt die vertikale Kraftkomponente der Klasse-II-Gummizüge im Vergleich zu den Klasse-I-Gummizügen eine noch tolerierbare zusätzliche Abnahme der orthodontisch wirksamen Kraft, jedenfalls solange eine Kraft von 1 N zur Anwendung kommt. Unter der Voraussetzung starker Kraftanwendung und hoher Angulationswerte hat diese Aussage nur noch eingeschränkte Gültigkeit. Der wesentliche Nachteil starker Klasse-II-Gummizüge mit ungünstiger geometrischer Konfiguration liegt vor allem in nicht tolerierbaren Nivellierungsverlusten im Sinne einer ausgeprägten Extrusion und Mesialkippung des Molaren.SummaryThe use of class I and II elastics in arch guided tooth movement of the lower molars belongs to the proven clinical methods to achieve space closure even though risks are present. The vertical force component of class II elastics tends to interact with the sagittal force and thus the vertical force may change the desired sagittal force and movement direction. The objective of the study presented here was to investigate friction behavior and the movement dynamics of the arch guided protraction of the lower first molar being acted on by differing class I and class II elastic band geometries. The influence of class I and class II elastics at different force levels (1 N and 2 N) were studied. The pattern of the force line varied in the area of angulation from 0° to 40° relative to the arch plane. The orthodontic measurement and simulation system (OMSS) was employed to determine force loss due to friction and to analyze side effects. In the arch guided mesialisation of the lower first molar, the vertical component of class II elastics induces a minor force loss in comparison with class I elastics. This holds, however, only for the lower 1 N force level. When employing class II bands at a greater force level and with increased angulation, relatively greater force loss and increased side effects, such as extrusion and mesial tipping of the first molar, occur.The use of class I and II elastics in arch guided tooth movement of the lower molars belongs to the proven clinical methods to achieve space closure even though risks are present. The vertical force component of class II elastics tends to interact with the sagittal force and thus the vertical force may change the desired sagittal force and movement direction. The objective of the study presented here was to investigate friction behavior and the movement dynamics of the arch guided protraction of the lower first molar being acted on by differing class I and class II elastic band geometries. The influence of class I and class II elastics at different force levels (1 N and 2 N) were studied. The pattern of the force line varied in the area of angulation from 0 degree to 40 degrees relative to the arch plane. The orthodontic measurement and simulation system (OMSS) was employed to determine force loss due to friction and to analyze side effects. In the arch guided mesialization of the lower first molar, the vertical component of class II elastics induces a minor force loss in comparison with class I elastics. This holds, however, only for the lower 1 N force level. When employing class II bands at a greater force level and with increased angulation, relatively greater force loss and increased side effects, such as extrusion and mesial tipping of the first molar, occur.

Das Friktionsverhalten von Keramikbrackets bei der bogengeführten Zahnbewegung

ZusammenfassungAufgrund ihrer ästhetischen Vorteile werden vom Patienten zunehmend Keramikbrakkets als Ersatz für Metallbrackets gefordert und trotz bekannter Nachteile zum Einsatz gebracht. Unbekannt ist bislang noch das Friktionsverhalten von Keramikbrackets bei der bogengeführten Zahnbewegung. Zur Klärung dieser Fragestellung wurden Keramikbrackets verschiedener Hersteller und herkömmliche Metallbrackets miteinander verglichen und in einer Simulationsapparatur entlang eines 0,016×0,022-Inch-Stahlbogens geführt. Alle Brackets gehörten dem 0,018-Inch-Slotsystem an. Stahlbrackets erzeugen im allgemeinen eine etwas geringere Reibung als polykristalline Keramikbrackets. Das monokristalline Keramikbracket verursacht dagegen deutlich höhere Friktionswerte als Stahl- und polykristalline Keramikbrackets, obwohl es im Rasterelektronenmikroskop (REM) sehr glatt erscheint.SummaryIn spite of their wellknown disadvantages ceramic brackets are in great demand by orthodontic patients because of their aesthetic features. The amount of friction produced during tooth movement when a ceramic bracket slides along an arch wire, is still unknown. Using a custom-made friction test device the current study was undertaken to measure friction values of brackets of different manufacturers with an 0.018 inch slot sliding along an 0.016×0.022 inch stainless steel arch wire. The results of this study showed that stainless steel brackets had slightly lower values than polycristalline ceramic brackets. The monocristalline bracket however showed significant greater friction values than both stainless steel and polycristalline brackets eventhough its surface, as revealed with the scanning electron microscopy, proved to be quite smooth.

[Frictional forces and movement dynamics in the mesialization of the second molar after the extraction of the sixth-year molar. An in-vitro study].

ZusammenfassungIm Rahmen der vorliegenden In-vitro-Studie werden das Friktionsverhalten und die Dynamik der bogengeführten Molarenmesialisierung nach M1-Verlust in einer Gegenüberstellung des .018″- und des .022″-Slotsystems untersucht. Neben dem Vergleich der dabei eingesetzten Bogentypen (.016″×.022″ bzw. .019″×.025″ Standard-Stahl) wird der Einfluß der Bogensteifigkeit sowohl durch partielle Verstärkung der Drahtdimension im Bereich der Extraktionslücke als auch durch eine Reduktion der Interbracketdistanz bei Verwendung des .016″×.022″-Bogens betrachtet. Der Unterschied zwischen tube- und bracketgeführter Gleitmechanik wird aufgezeigt, der Einfluß einer Aufrichtefeder untersucht. Zur quantitativen Bestimmung der Differenz von eingesetzter und orthodontisch wirksamer Kraft sowie der beim Gleitvorgang auftretenden Nivellierungsverluste wird die bogengeführte Zahnbewegung mit Hilfe des orthodontischen Meß- und Simulationssystems (OMSS) dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, daß eine reduzierte Bogenstabilität die Kraftübertragung nicht wesentlich negativ beeinträchtigt. Deutliche Nachteile ergeben sich jedoch bei geringer Bogensteifigkeit im Sinne von Nivellierungsverlusten. Solche Nebenwirkungen zeigen sich besonders auffällig am instabilen, freien Bogenende des .016″×.022″-Führungsbogens. Jede Art der Bogenversteifung sowie auch der Einsatz einer korrekt berechneten Aufrichtefeder wirken dem deutlich entgegen. Die vorliegende Studie empfiehlt die Anwendung eines .019″×0.25″-Stahlbogens im .022″-Slotsystem. Das bei dieser Drahtdimension leicht vergrößerte Spiel im Bracketslot und die hinreichende Bogensteifigkeit schaffen ideale Bedingungen für den Lückenschluß nach Verlust des Sechsjahrmolaren, wenn die Führung am Bogen gewält wird.SummaryIn this study the frictional forces and dynamics of arch guided molar mesialisation were investigated. The influence of two different slot/arch combinations (.018″ slot/.016″×.022″ arch and .022″ slot/.019″×.025″ arch) as well as partial fortification of an .016″×.022″ wire and the reduction of interbracket distance were studied. In guiding the arch wire, a convertible bracket was tested in tube and in bracket configurations. The tipping movement could be compensated by adding an uprighting spring. The orthodontic measurement and simulation system (OMSS) was employed to determine frictional loss in forces and to analyize side effects. Results showed that frictional forces were almost independent from the wire stiffness, whereas a reduced cross section resulted in distinct side effects. These effects can be countered either by employing a correctly dimensioned uprighting spring or by increasing the wire stiffness. The .019″×.025″ wire in a .022″ slot proved to be the optimum combination for molar mesialisation.