Heinrich F. Kappert

In vitro investigation into the biological assessment of orthodontic wires.

The alloys used in orthodontics are subject in the moist environment of the oral cavity to various corrosion processes. If the products of the corrosion are introduced into a biological system they may cause changes. In the present investigation the corrosion rate of 23 different orthodontic wires (preformed archwires and straight wires) made from 5 different alloys were examined in a nutrient medium by ICP-AES analysis, and the influence of the corrosion products on the cytotoxicity of a fibroblast culture was investigated using Mosmanns MTT test. The nickel-titanium wires Nitinol®, Sentalloy® and Original Chinese Wire® and the β-titanium alloy TMA® had no effect on the rate of cell proliferation. Nor did stainless steel wires inhibit growth significantly, with the exception of Australian Wire® and Wildcat Wire®. The manganese-steel alloys Noninium® h and Mezanium® caused significant reductions in growth rate, which were attributed to the manganese ions released by the corrosion. The most severe growth inhibition was caused by the Co−Cr−Ni alloy Elgiloy®, and this reaction is independent of the 4 levels of resilience. The degree of growth inhibition depended upon the concentration of corrosive cobalt and nickel ions in the eluate. In spite of the differences observed, all the orthodontic wires examined are graded under ISO-standard 10993-5 as “non-cytotoxic”. The degree of toxicity was found to be determined essentially by the corrosion rate of the alloy and the cytotoxic characteristics of the resulting trace elements.ZusammenfassungDie in der Kieferorthopädie eingesetzten Legierungen unterliegen im feuchten Milieu der Mundhöhle korrosiven Prozessen. Werden diese Korrosionsprodukte in ein biologisches System eingebracht, können diese Veränderungen hervorrufen. In der vorliegenden Studie wurde die Korrosionsrate von 23 verschiedenen kieferorthopädischen Drahtbögen und Drähten aus fünf unterschiedlichen Legierungstypen im Nährmedium mittels der ICP-AES-Analyse untersucht und der Einfluß der Korrosionsprodukte auf die Zytotoxizität einer Fibroblastenkultur mit dem MTT-Test nach Mosmann analysiert. Die verwendeten NiTi-Drähte (Nitinol®, Sentalloy® und Orginal Chinese Wire®) sowie die β-Titanium-Legierungen (TMA®) beeinflußten die Zellproliferationsrate nicht. Ebenso zeigten die Edelstähle bis auf die Ausnahmen Australian Wire® und Wildcat Wire® keine signifikanten Wachstumshemmungen. Die Mn-Stähle Noninium® h und Menzanium® bewirkten signifikante Wachstumshemmungen, die auf die korrosiv gelösten Manganionen zurückzuführen waren. Die stärkste Wachstumshemmung wurde durch die CoCrNi-Legierung Elgiloy® hervorgerufen, wobei die Reaktion unabhängig von den vier verschiedenen Härtegraden war. Das Ausmaß der Wachstumshemmung stand in Beziehung zu der Konzentration an korrosiv gelösten Kobalt- und Nickelionen in den Eluaten. Trotz der beobachteten Unterschiede sind jedoch alle geprüften kieferorthopädischen Drähte gemäß der ISO-Norm 10993-5 als nicht zytotoxisch einzustufen. Es zeigte sich, daß der Grad der Zytotoxizität im wesentlichen durch die Korrosionsrate der Legierungen und von den zytotoxischen Eigenschaften der korrosiv gelösten Spurenelemente bestimmt wird.

Contribution to the Biological Assessment of Orthodontic Acrylic Materials Measurement of their Residual Monomer Output and Cytotoxicity

Abstract: The acrylic materials used in orthodontics for the fabrication of removeable appliances are subjected in the oral cavity to processes of change which influence their physical, mechanical and biological properties. It is therefore essential that every newly developed material must be judged in terms of its clinical value.In the present study, 2 orthodontic cold-cure acrylics, Orthocryl® and Forestacryl®, and 4 orthodontic photocure acrylics, Triad®, Wil-O-Dont®, Odontolux® and Lux-A-Tech®, were investigated and compared with 2 prosthetic acrylic materials, the cold-cure acrylic Palapress® and the hot-cure acrylic Paladon®. The quantity of residual monomers from methyl methacrylate (MAA) or urethane dimethacrylate (UDMA) eluted from the sample in a given time after the processing was estimated by high pressure liquid chromatography (HPLC). The cytotoxic properties of the materials were examined by Mosmanns proliferation-inhibition test with an established culture of fibroblasts (=MTT test).The hot-cure acrylic Paladon® produced by far the smallest amount of eluted residual monomer and the least growth inhibition in the MTT test. The prosthetic cold-cure acrylic Palapress® achieved significantly better results than the orthodontic cold-cure materials Orthocryl® and Forestacryl®. The photocure acrylics released less UDMA than did the cold-cure acrylics MMA. In the cell culture test, all the orthodontic materials examined were assessed as “slightly cytotoxic”; the prosthetic acrylics were graded under ISO-standard 10993-5 ans“non cytotoxic”. After soaking the plastic material in water for 3 days its cytotoxic properties, as exemplified by the cold-cure acrylic Forestacryl® and the photocure acrylic Triad®, were reduced, and during the following investigation no more inhibition of growth was observed. It was possible to confirm with the test used that, for Triad®, it is necessary to carefully remove the oxygen- inhibition layer of the photocure acrylic in order to improve the biological properties.The influence of the plastic material on fibroblast cultures was assessed, among other methods, by the quantity of residual monomers liberated. These were significantly reduced after soaking the manufactured substance in water for 3 days. Careful laboratory treatment of the photocure acrylics is necessary in order to improve their biological properties.Zusammenfassung: Die in der Kieferorthopädie bei der Herstellung herausnehmbarer Geräte verwendeten Kunststoffe unterliegen in der Mundhöhle Veränderungsprozessen, die ihre physikalisch-mechanischen und biologischen Eigenschaften mitbestimmen. Neu entwickelte Werkstoffe müssen sich an den klinisch bewährten Materialien messen lassen.In der vorliegenden Studie wurden zwei kieferorthopädische Kaltpolymerisate Orthocryl® und Forestacryl® sowie vier kieferorthopädische Lichtpolymerisate Triad®, Wil-O-Dont®, Odontolux® und Lux-A-Tech® vergleichend zu zwei prothetischen Kunststoffen, dem Kaltpolymerisat Palapress® und dem Heißpolymerisat Paladon®, untersucht. Mit der Reversed-Phase-Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) wurde die Menge des von einem Probekörper nach der Verarbeitung in Wasser eluierten Methylmethacrylat-(MAA-) bzw. Urethandimethacrylat-(UDMA-)Restmonomers im zeitlichen Verlauf bestimmt. Die zytotoxischen Eigenschaften der Werkstoffe wurden im Proliferationshemmtestverfahren nach Mosmann an einer etablierten Fibroblastenkultur untersucht (=MTT-Test).Das Heißpolymerisat Paladon® zeigte mit Abstand die geringsten Mengen an eluiertem Restmonomer und die geringste Wachstumshemmung im MTT-Test. Das prothetische Kaltpolymerisat Palapress® erreichte wesentlich bessere Ergebnisse als die kieferorthopädischen Kaltpolymerisate Orthocryl® und Forstacryl®; die Photopolymerisate setzen weniger UDMA frei als die Kaltpolymerisate MMA. In der Zellkulturprüfung wurden alle untersuchten kieferorthopädischen Kunststoffe als “gering zytotoxisch” bewertet; die prothetischen Kunststoffe wurden als “nicht zytotoxisch” gemäß der ISO-Norm 10993-5 eingestuft. Nach Lagerung der Kunststoffe für drei Tage in Wasser konnten die zytotoxischen Eigenschaften am Beispiel des Kaltpolymerisats Forestacryl® und des Photopolymerisats Triad® verbessert werden; die Kunststoffe übten in den Folgeuntersuchungen keine Wachstumshemmung mehr aus. Für Triad® konnte mit den verwendeten Tests die Notwendigkeit einer sorgfältigen Entfernung der Sauerstoffinhibitionsschicht bei den Lichtpolymerisaten zur Verbesserung der biologischen Eigenschaften bestätigt werden.Der Einfluss der Kunststoffe auf Fibroblastenkulturen wird unter anderem durch die Menge an freigesetzten Restmonomeren bestimmt, deren Quantität konnte duch eine dreitägige Lagerung der hergestellten Kunststoffe in Wasser deutlich reduziert werden. Eine sorgfältige labortechnische Verarbeitung der Lichtpolymerisate ist zur Verbesserung der biologischen Eigenschaften notwendig.

Transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS): its short-term and long-term effects on the masticatory muscles.

In an electromyographic study on subjects with no functional disturbances of the masticatory muscles, the duration of the posttherapeutic effects of transcutaneous electrical nerve stimulation (=TENS) on the superficial masseter and anterior temporal muscle was analyzed.The myoelectric signals were registered from 20 healthy volunteers in 3 different mandibular positions. The recordings were performed before a 20-minute TENS application with the J-4 Myomonitor® and continued with a sequence of follow-up registrations with increasing interval to the initial stimulation. The EMG signals underwent computer-aided analysis and were evaluated by determining the integrated values as a parameter of muscle activity, and after Fourier transformation by 7 describing parameters of the power spectrum (e. g. mean power frequency =MPF). A detailed analysis of variance of all data was used to investigate significant changes of the parameters during the observation period.Muscular response to TENS includes a decrease in muscular activity (=reduction in integrated EMG signals) and a shift in the power spectrum to higher frequencies (increase in MPF). These changes were statistically highly significant for both analyzed muscles and for all different mandibular exercises.As these reactions to TENS are contrary to muscle fatigue, the results can be interpreted as indicating that this type of therapy stimulates a change in the biochemical and physiological muscular conditions, which leads to muscle relaxation. Electromyographically, the posttherapeutic effect lasted for 2 hours in case of normal masticatory muscle activity but for more than 7 hours in case of low muscular loading. The alterations of the integrated EMG values were more persistent than those of the parameters of the power spectrum.ZusammenfassungAnhand elektromyographischer Aufzeichnungen des Musculus masseter und des Musculus temporalis von unter kaufunktionellen Aspekten gesunden Probanden sollte die Dauer des posttherapeutischen Effekts der transkutanen Elektroneurostimulation (TENS) auf die Kaumuskulatur analysiert werden.Dazu erfolgte die Aufzeichnung der elektromyographischen Signale von 20 Probanden während drei verschiedener Unterkieferfunktionen einmal vor der TENS-Anwendung und in bestimmten Zeitabständen nach der elektrischen Stimulation, die mit dem J-4 Myomonitor® über 20 Minuten erfolgte. Von den EMG-Aufzeichnungen wurden computergestützt das Integral, als Maß der Muskelaktivität, und nach Fourier-Transformation sieben beschreibende Parameter des Powerspektrums (u. a. die Mittelfrequenz, MPF) bestimmt. Danach erfolgte eine umfangreiche Varianzanalyse aller Daten, um signifikante Veränderungen der Parameter über die Zeit zu erfassen.Die muskuläre Reaktion auf die TENS besteht in einer Abnahme der Muskelaktivität (Abnahme der Integralwerte) und in einer Verschiebung im Powerspektrum zu höheren Frequenzwerten (u. a. höhere Werte von MPF). Die Veränderungen waren statistisch hoch signifikant bei beiden gemessenen Muskeln und bei den verschiedenen Unterkieferfunktionen.Diese Reaktion auf die TENS-Applikation ist genau konträr zu derjenigen bei Muskelermüdung. Der Befund deutet darauf hin, daß die Behandlung eine Änderung der biochemischen und physiologischen Muskeleigenschaften in Richtung Muskelentspannung stimuliert. Dieser Effekt ist posttherapeutisch bei normaler Muskelbetätigung über einen Zeitraum von zwei Stunden und bei geringer Inanspruchnahme der Kaumuskulatur länger als sieben Stunden elektromyographisch nachweisbar. Die Veränderung in den EMG-Integralwerten konnte länger nachgewiesen werden als die Verschiebungen im Frequenzspektrum der myoelektrischen Signale.

Corrosion Susceptibility of Lingual Wire Extensions in Removable Appliances An in Vitro Study

AbstractMaterial and Methods: The corrosion resistance of ten different round orthodontic wires as plastic-encased extensions was evaluated in vitro. Following the production of defined test samples with free as well as with acrylic-embedded wire segments, ten samples of each product were subjected to gap provocation by deflecting the free-running wire ends with an electric drive, while 10 samples remained provocation-free. The tests were run under standardized conditions (7 days, 37°C, pH 2.3, 0.1 mol NaCl/CH3CHOHCOOH), and the findings were analyzed by stereo light microscopy and scanning electron microscopy. Results: The following alterations were observed on the wire surfaces: a) crevice corrosion with substantial linear surface erosion and opaque discolorations, b) localized pitting corrosion, and c) mild surface erosion with translucent discolorations. The reactions of the test samples were similar in both those that were subjected to addition mechanical loading in the electrolyte and those that were not. Cr-Ni steels were susceptible to corrosion, whereas Co-Cr alloys as well as low-nickel manganese steels had only slight visible alterations, if any, in the embedded wire sections. Conclusions: Clinically occurring discolorations in the acrylic can be attributed to corrosion processes on the embedded wire extensions. These processes can be simulated and observed in vitro. During the processing of acrylic materials now customary in the orthodontic laboratory, crevices are inevitably formed between the wire and the acrylic, furthering the corrosion process. Our results suggest that, being more resistant to crevice corrosion, Co-Cr alloys or low-nickel steels can be considered as alternatives.ZusammenfassungMaterial und Methode: Verschiedene kieferorthopädische Runddrähte wurden in vitro als kunststoffummantelte Retentionen in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Spaltkorrosion bewertet. Es wurden zehn unterschiedliche Drahtsorten untersucht. Nach Herstellung definierter Prüfkörper mit freiem und im Kunststoff verlaufendem Drahtabschnitt erfolgte je ein Produkt bei jeweils zehn Proben eine Spaltprovokation mit einer Auslenkung der freien Drahtenden durch elektrischen Antrieb, bei weiteren zehn Proben wurde eine Spaltprovokation unterlassen. Die Versuche wurden unter standardisierten Bedingungen (7 Tage, 37°C, pH 2,3, 0,1 mol NaCl/CH3CHOHCOOH) durchgeführt und die Auswertung der Befunde erfolgte mittels Stereolichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskop. Ergebnisse: An den Drahtoberflächen wurden folgende Veränderungen beobachtet: a) Spaltkorrosion mit massivem linearen Flächenabtrag und opaken Verfärbungen, b) lokalisierter Lochfraß und c) milder Flächenabtrag mit transluzenten Verfärbungen. Die Reaktionen von im Elektrolyten zusätzlich mechanisch belasteten und mechanisch nicht belasteten Prüfkörpern waren ähnlich. Cr-Ni-Stähle reagierten korrosionslabil, dagegen zeigten Co-Cr-Legierungen sowie nickelarme Manganstähle nur geringe oder keine sichtbaren Veränderungen an den eingebetteten Drahtabschnitten. Schlussfolgerungen: Klinisch auftretende Verfärbungen im Kunststoff beruhen auf Korrosionsvorgängen an den eingebetteten Drahtretentionen. Diese Vorgänge sind in vitro nachvollziehbar. Während der heute üblichen Kunststoffverarbeitung in der KFO-Technik kommt es zur unvermeidbaren Spaltbildung zwischen Draht und Kunststoff, welche die Entstehung von Korrosionsvorgängen begünstigt. Aufgrund der Ergebnisse können nickelarme Stähle oder Co-Cr-Legierungen als spaltkorrosionsresistentere Alternativen in Betracht gezogen werden.

Muscle relaxation by transcutaneous electric nerve stimulation (TENS) in bruxism. An electromyographic study

In recent years transcutaneous electrical neuromuscular stimulation (TENS) has become increasingly more common in the treatment of functional diseases of the masticatory muscles and currently the practitioner can choose among a variety of stimulators. In an electromyographic study of 17 adults suffering from nocturnal bruxism and of a control group consisting of 18 adults without any functional disturbances of the masticatory muscles, the effect of this kind of neuromuscular stimulation on the temporal and masseter muscle was examined. The myoelectric signals were registered before and after TENS treatment in 3 different positions of the mandible. Each person was treated 3 times with both the Myo-Monitor (Myo-Tronics, Seattle) and the TNS SM2 MF stimulator (schwa-medico, Giessen). The different effects of continuous low frequency and intermittent high frequency muscular stimulation were studied simultaneously. Muscular activity was determined by computer aided integration of the electromyographically measured raw signals. A fourier analysis of the power spectrum yielded information on the frequency behavior of the studied muscles resulting from the TENS treatment. A statistical analysis of the results led to the following significant conclusions: 1. TENS treatment decreased the values of the registered integrated signals on all test persons, however, the treatment increased the median frequency and the mean power frequency (MPF). Since this effect is contrary to muscle fatigue, these electromyographic results can be interpreted as providing objective proof of a relaxation in the treated muscles. 2. The electromyographic changes after TENS treatment were similar when using either the Myo-Monitor or the TNS SM2 MF stimulator. In addition, the 2 different types of stimulation (high or low frequency) showed the same effects. 3. Compared to the persons in the control group, there was no significant increased muscular activity in patients with nocturnal bruxism. Following TENS treatment both groups showed the same alterations in the electromyograms. The results of the study provide further evidence that TENS treatment is an adequate supportive procedure in the treatment of nocturnal bruxism.ZusammenfassungZur Behandlung funktioneller Störungen der Kaumuskulatur wird in den letzten Jahren vermehrt die transkutane Elektroneurostimulation (TENS) eingesetzt, wobei dem Klimiker heute verschiedene TENS-Geräte zur Verfügung stehen. In einer elektromyographischen Untersuchung an 17 erwachsenen Probanden mit Bruxismus und einem Kontrollkollektiv (n=18) wurde der Effekt dieser Art der Neurostimulation auf den Musculus temporalis pars anterior und den Musculus masseter pars superficialis untersucht. Die myoelektrischen Signale wurden vor und nach dei TENS Behandlung bei verschiedenen Unterkieferfunktionen registriert. Die Neurostimulation erfolgte über mehrere Tage mit dem Myo-Monitor® (Myotronics, Seattle) und dem TNS SM2 MF®-Gerät (schwa-medico, Gießen), Gleichzeitig wurde der unterschiedliche Effekt einer dauernden niederfrequenten bzw diskontinuierlichen hochfrequenten Reizsetzung analysiert. Die Bestirmmung der Muskelaktivität erfolgte durch eine Integration der gemessenen Rohsignale. Eine Fourieranalyse des Powerspektrums gab Aufschluß über das Frequenzverhalten der untersuchten Muskeln. Die statistische Ausweitung der Daten belegt: 1. Durch die TENS-Behandlung wurden bei allen Probanden die Integralwerte verkleinert, Die Mittel- und Medianfrequenzwerte des myoelektrischen Powerspektrums stiegen an. Diese EMG-Befunde zeigen, daß das subjektive Empfinden eines verbesserten Entspannungszustands der Kaumuskulatur nach TENS-Behandlung objektiv nachweisbar ist. 2. Die Relaxation der Kaumuskeln war bei Anwendung des Myo-Monitors® und bei elektrischer Reizsetzung in Form einer Dauerstimulation mit dem TNS SM2 MF®-Gerät nicht signifikant anders als bei der Burststimulation. 3. Die Aktivität der untersuchten Muskeln war bei Probanden mit Bruxismus im Vergleich zum Kontrollkollektiv nicht signifikant erhöht. Die EMG-Veränderungen nach TENS-Applikation waren in beiden Gruppen gleich. Nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen erscheint die TENS-Behandlung eine adäquate unterstützende Therapiemaßnahme bei Probanden mit Bruxismus.SummaryIn recent years transcutaneous electrical neuromuscular stimulation (TENS) has become increasingly more common in the treatment of functional diseases of the masticatory muscles and currently the practitioner can choose among a variety of stimulators. In an electromyographic study of 17 adults suffering from nocturnal bruxism and of a control group consisting of 18 adults without any functional disturbances of the masticatory muscles, the effect of this kind of neuromuscular stimulation on the temporal and masseler muscle was examined. The myoelectric signals were registered before and after TENS treatment in 3 different positions of the mandible. Each person was treated 3 times with both the Myo-Monitor® (Myo-Tronics, Seattle) and the TNS SM2 MF® stimulator (schwa-medico. Gießen). The different effects of continuous low frequency and intermitent high frequency muscular stimulation were studied simultaneously. Muscular activity was determined by computer aided integration of the electromyographically measured raw signals. A fourier analysis of the power spectrum yielded information on the frequency behavior of the studied muscles resulting from the TENS treatment. A statistical analysis of the results led to the following significant conclusions. 1. TENS treatment decreased the valuesof the registered integrated signals on all test persons, however, the treatment increased the median frequency and the mean power frequency (MPF). Since this effect is contrary to muscle fatigue, these electromyographic results can be interpreted as providing objective proof of a relaxation in the treated muscles. 2. The electromyographic changes after TENS treatment were similar when using either the Myo-Monitor® or the TNS SM2 MF® stimulator. In addition, the 2 different types of stimulation (high or low frequency) showed the same effects. 3. Compared to the persons in the control group, there was no significant increased muscular activity in patients with nocturnal bruxism. Following TENS treatment both groups showed the same alterations in the electromyograms. The results of the study provide further evidence that TENS treatment is an adequate supportive procedure in the treatment of nocturnal bruxism.

Integrated and frequency spectra of the electromyograms in patients with temporomandibular symptoms

ZusammenfassungMit Hilfe von bipolaren Oberflächenelektroden wurden der Musculus temporalis, Pars anterior, und der Musculus masseter, Pars superficialis, elektromyographisch untersucht, wobei eine Auswertung der Muskelaktivitäten durch Auszählen der integrierten Potentiale und der Mittelfrequenz nachFourier-Analyse erfolgte. Der Vergleich von 17 Patienten mit Kiefergelenksymptomen (Durchschnittsalter 21,3 Jahre) mit einem 20 Probanden umfassenden Kontrollkollektiv (Durchschnittsalter 20,5 Jahre) ergab eine signifikant erhöhteMuskelaktivität bei Kiefergelenkpatienten, während bei den Mittelfrequenzen keine signifikanten Gruppenunterschiede gefunden werden konnten. Die Rechts-links-Differenzen der Muskelaktivitäten wiesen bei der Kontrollgruppe eine signifikant geringeren Wert auf als bei den Kiefergelenkpatienten. Die Untersuchung der Beeinflußbarkeit der Rechts-links-Differenz bei weiteren 14 Patienten mit Kiefergelenksymptomen ergab eine signifikante Abnahme in der Asymmetrie der Aktivität bei der Übung “maximale Okklusion mit Feedback”.SummaryWith the aid of bipolar surface electrodes, the electromyographic activity of the anterior temporal and the superficial masseter muscles were recorded bilaterally and evaluated by counting the integrated potentials and mean power frequency using Fouriers analysis. A comparison between 17 patients with myofacial pain dysfunction (average age 21.3 years) and a group of 20 controls (average age 20.5 years) revealed a significantly greater activity in patients with pain syndrome, while no significant inter-group difference in mean power frequency was seen. The differences in the level of activity between the right and left sides in the control group were significantly smaller than in patients with pain dysfunction. An investigation of measures aimed at reducing the right/left asymmetry in a further 14 patients with pain dysfunction revealed the practice of “maximum occlusion with feedback” to be the most effective measure.