Orthodontic mini-implants: morphological/structure characteristics and in vivo performance in animals

Abstract

The purpose of this study was to investigate the geometrical characteristics, composition, microstructure, surface roughness, stress generation and distribution, and pullout strength of commercially available orthodontic mini-implants (OMIs). In order to investigate the possible association of the findings and their clinical significance, four different OMIs systems were placed in early preadolescent pigs. Histomorphometric analysis of the periimplant bone area will be performed after two weeks time. The OMIs systems evaluated were AbsoAnchor® (AA), Dual-Top™ (DT), Spider Screws® K1 (SK), and Vector-TAS™ (VT). The geometrical features of the OMIs were measured by optical microscopy. Surface texture and elemental composition were examined by SEM and energy dispersive X-ray microanalysis. Surface 3D-roughness parameters were measured by optical profilometry. The pullout strength was measured using a universal testing machine. Stress generation and distribution was estimated around OMIs using photoelastic resin.The biological performance of OMIs was tested using an animal model implanted with 48 OMIs (n: 3x4 brands/pig). Two weeks later, the stability and success rate were assessed. Specimens consisted of an OMI and its surrounding bone was retrieved from the animals. Longitudinal 1mm sections were obtained. Then the sections were grounded and polished. Histomorphometric analysis was performed in unstained sections, bone-implant contact (BIC) was measured and percentage of osseointegration was calculated. The following conclusions can be drawn from the study:•All the OMIs tested were homogeneous in structure, based on Ti6Al4V alloy, with N impurities. VT had the highest O and P content, implying an anodic oxidized surface.•AA demonstrated the highest intra-osseous surface. •No statistically significant differences were detected in amplitude surface roughness parameters (Sa, Sz) among the implants. However, differences existed in hybrid (Sdr, Sds) and functional (Sci) parameters. •AA achieved the highest pullout strength in both artificial bone densities followed by DT, SK and VT with higher value in higher bone density. •Without pilot drill preparation, all OMIs showed high stress generation represented by third order fringe. SK exhibited the greater stress distribution surrounding the neck area. At the mid intra-osseous region, VT had the greater stress distribution. •Stress with pilot drill preparation, pilot drilling reduced stress generation and AA and DT showed stress generation represented by second order fringe, while SK stress generation represented by first order fringe. •Under horizontal loading, the stress distribution was shifted toward the direction of acting forces.•In contrast to in vitro data, no significant differences in OMIs survival rates were encountered in vivo. Overall, the success rate was quite low (45.8%). The differences detected in implant morphological and structural characteristics did not seem to affect survival rate. •Immediate loading and palatal placement of OMIs were ineffective when used in early preadolescent pigs. Anterior placement enhanced the success rate. •The overall percentage of osseointegration was estimated as 31.2%. No difference was detected in the BIC area between the maxilla and the mandible.

Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να διερευνήσει τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, τη σύνθεση, δομή, τραχύτητα της επιφάνειας, τη δημιουργία και κατανομή τάσεων, καθώς και την δύναμη αποκόλληση των διαθέσιμων στο εμπόριο ορθοδοντικών εμφυτευμάτων mini-(OMIs). Προκειμένου να διερευνηθεί η πιθανή συσχέτιση των ευρημάτων και η κλινική σημασία τους, τέσσερα διαφορετικά συστήματα OMIs είχαν τοποθετηθεί σε χοίρους προεφηβικής ηλικίας. Με τη μέθοδο της ιστομορφομετρικής ανάλυσης έγινε η μελέτη της περιεμφυτευματικής περιοχής δύο εβδομάδες μετά την κλινική τοποθέτησή τους.Τα συστήματα OMIS που αξιολογήθηκαν ήταν: AbsoAnchor ® (AA), Dual-Top™ (DT), Spider Screws® K1 (SK), και Vector-TAS™ (VT). Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των OMIS μετρήθηκαν με οπτικό μικροσκόπιο. Η υφή της επιφάνειας και στοιχειακή σύνθεση εξετάστηκαν με μικροσκόπιο σάρωσης. Η τρισδιάστατη επιφανειακή τραχύτητα της επιφάνειας μετρήθηκε με τη μέθοδο της Oplical profilometry. Η δύναμη αποκόλλησης μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ειδικό μηχάνημα για το σκοπό αυτό. Η δημιουργία και κατανομή των τάσεων γύρω από τα OMIS μελετήθηκε με τη χρήση φωτοελαστικής ρητίνης.Η βιολογική απόδοση των OMIs δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας ένα ζωικό μοντέλο (χοίρους) όπου τοποθετήθηκαν 48 OMIs (n: 3x4 μάρκες / χοίρο). Δύο εβδομάδες αργότερα, η σταθερότητα και το ποσοστό επιτυχίας αξιολογήθηκαν. Τα δείγματα αποτελούνταν από ένα OMI με την γύρω οστικής του περιοχή. Διαμήκη τμήματα μήκους 1 χιλιοστό ελήφθησαν, λειάνθηκαν και γυαλίστηκαν. Έγινε ιστομο¬ρφομετρική ανάλυση των τομών και υπολογισμός του ποσοστού επαφής εμφυτεύ¬ματος οστού και του βαθμού οστεοενσωμάτωσης.Συμπεράσματα:• Όλα τα OMIs που δοκιμάστηκαν ήταν ομοιογενή ως προς τη δομή, με βάση το κράμα Ti6Al4V, με προσμίξεις αζώτου (Ν). Τα εμφυτεύματα VT είχαν την υψηλότερη περιεκτικότητα σε O (oξυγόνο) και P (φωσφόρο), που συνεπάγεται μια ανοδική οξειδωμένη επιφάνεια.• Τα εμφυτεύματα ΑΑ παρουσίασαν τη μεγαλύτερη ενδο-οστική επιφάνεια.• Μη στατιστικά σημαντικές διαφορές εντοπίστηκαν στο εύρος των παραμέτρων τραχύτητα της επιφάνειας (Sa, Sz) μεταξύ των εμφυτευμάτων. Ωστόσο, οι διαφορές υπήρχαν σε υβριδικές (Sdr, Sds) και λειτουργικές (Sci) παραμέτρους.• Τα εμφυτεύματα ΑΑ πέτυχαν την υψηλότερη δύναμη αποκόλλησης στα δοκίμια τεχνητού οστού που ακολουθούνται από τα εμφυτεύματα DT, SK και VT με υψηλότερη τιμή σε δοκίμια με υψηλότερη οστική πυκνότητα.• Στα δοκίμια που τοποθετήθηκαν ΟMIs χωρίς προηγούμενο τρυπανισμό, δημιουργήθηκαν υψηλές τάσεις με τη μορφή κροσσών τρίτης τάξης. Τα εμφυτεύματα SK παρουσίασαν τη μεγαλύτερη κατανομή των τάσεων γύρω από την περιοχή του λαιμού, ενώ τα εμφυτεύματα VT είχαν τη μεγαλύτερη κατανομή των τάσεων στη μεσοοστική περιοχή. • Στα δοκίμια που τοποθετήθηκαν OMIs με τρυπανισμό παρατηρήθηκε μείωση τάσεων. Ειδικότερα στα εμφυτεύματα DT παρατηρήθηκαν κροσσοί δεύτερης τάξης, ενώ στα εμφυτεύματα SK πρώτης τάξης. • Σε συνθήκες οριζόντιας φόρτωσης, η κατανομή των τάσεων μετατοπίσθηκε προς την κατεύθυνση των εφαρμοζόμενων δυνάμεων.• Σε αντίθεση με τα in vitro δεδομένα, χωρίς σημαντικές διαφορές στα ποσοστά επιβίωσης μεταξύ των OMIs προέκυψαν in vivo. Συνολικά, το ποσοστό επιτυχίας ήταν αρκετά χαμηλό (45,8%). Οι μορφολογικές και κατασκευαστικές διαφορές μεταξύ των OMIs δεν φαίνεται να επηρεάζει το ποσοστό επιβίωσής τους.• Η άμεση φόρτωση και υπερώια τοποθέτηση των OMIs σε προεφηβικούς χοίρους ήταν αναποτελεσματική, ενώ η τοποθέτησή τους στην πρόσθια περιοχή των γνάθων είχε μεγαλύτερα ποσοστά επιτυχίας. • Το συνολικό ποσοστό της οστεοενσωμάτωσης υπολογίστηκε στο 31,2%. Καμία διαφορά δεν εντοπίστηκε στην περιοχή επαφής εμφυτεύματος οστού μεταξύ της άνω και κάτω γνάθου.