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Kieferorthopädie 21.02.2011

Bis zu 30 % weniger Friktion

Bis zu 30 % weniger Friktion

Mithilfe eines neuen Verfahrens zur Oberflächenvergütung können Reibungsverluste
kieferorthopädischer NiTi- und ß-Titan-Drähte signifikant reduziert werden. Ein Beitrag von Dr. Jan Roehlike, Univ.-Prof. Dr. Bert Braumann, Miriam Meier, Bashir Schatlo und Univ.-Prof. Dr. Christoph Bourauel.

In verschiedenen Multiband-/ Multibrackettechniken werden die Zähne entlang eines Führungsbogens in mesialer oder distaler Richtung bewegt. Das vermeidet unerwünschte Kippungen und Rotationen des Zahnes, wobei jedoch ein Teil der eingesetzten Kraft durch Friktion (oder Reibung) verloren geht. Dieser Kraftverlust, der durch Anlagerung des Brackets an den Bogen hervorgerufen wird, kann bis zu 50% der eingesetzten Kraft betragen, in ungünstigen Fällen sogar deutlich mehr (Abb. 1).


In zahlreichen Versuchsanordnungen wurden der Einfluss des Bracketmaterials, der Bracketbreite oder allgemein des Bracketdesigns, der Ligatur, des Bogenmaterials und -querschnitts, der angelegten Kraft sowie Oberflächenbeschaffenheit von Bracket und Bogen auf die Friktion untersucht. Die Ergebnisse sind nicht immer vergleichbar und widersprechen sich teilweise sogar, was auf die sehr unterschiedlichen Versuchsanordnungen zurückzuführen ist. Im Fokus der Untersuchungen standen aber stets Charakterisierungen der verschiedenen Komponenten einer festsitzenden kieferorthopädischen Apparatur: Brackets und Bänder sowie deren Gleiteigenschaften. Durch Optimierungen der Form und Oberflächen dieser beiden Komponenten wird schon seit geraumer Zeit versucht, die Friktion zwischen Bracket und Drahtbogen zu minimieren und damit die Effektivität einer kieferorthopädischen Apparatur zu optimieren. Unter anderem zur Reduktion der Reibung werden von verschiedenen Herstellern seit einiger Zeit selbstligierende Brackets angeboten und teils mit Attributen wie „Zero-Friction-Bracket“ beworben. Grundsätzlich müssen dabei Systeme mit aktiven und passiven Verschlussmechanismen unterschieden werden. Brackets mit aktiven Mechanismen sollen eine sichere, kontrollierte Führung des Zahns am Bogen gewährleisten, indem die Verschlussklappe oder -feder beim Schließen den Bogen auf den Slotboden drückt. Dies kann Nachteile in den Gleiteigenschaften dieser Brackets mit sich führen.

Passive Verschlussmechanismen erlauben dem Bogen dagegen ein ungehindertes Gleiten durch den Bracketslot. Das Spiel im Bracket-Bogen-Komplex hingegen reduziert die Kontrolle über die Zahnbewegung und kann zu Nivellierungsverlusten führen. Eine systematische Analyse des Reibungsverhaltens selbstligierender Systeme sowie ein Vergleich mit Standard-Edgewise-Brackets ist bislang noch nicht durchgeführt worden.

Ein weiterer Ansatz zur Reduktion der Friktion ist die Optimierung der Oberflächenqualität kieferorthopädischer Drähte. Daneben hängen die Reibungsverluste auch von der Drahtlegierung des eingesetzten Bogens ab. Stahldrähte erzeugen weniger Friktion als Drähte aus Nickel-Titan(NiTi)-Legierungen. Die Friktionswerte für ß-Titan-Drähte liegen sogar noch über denen von NiTi-Drähten. Drescher et al. fanden einen Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheit von Führungsbögen und ihrem Reibungsverhalten.1–3 Sie stellten fest, dass eine rauere Oberfläche zur Zunahme der Friktionswerte führte. Ähnliche Zusammenhänge bezüglich Drahtoberfläche, Drahtmaterial und Reibung wurden auch von Kusy et al. berichtet.4,5 Eine Betrachtung der Situation im Verlauf einer Nivellierung mit hochelastischen Drahtbögen zeigt, dass auch hier ein ungehindertes Durchgleiten des Bogens durch die Bracketslots notwendig ist.6 Daher sind Aussagen, die im Rahmen einer Eckzahnretraktion getroffen werden, auch auf einen Reibungsverlust im Verlauf der Nivellierung anwendbar.

Eine Beschichtung oder Oberflächenvergütung der Drahtoberfläche kann somit einen Einfluss auf das Reibungsverhalten haben. Im Vergleich zum ursprünglichen Draht wird hier eine veränderte Oberfläche geschaffen, die neben der Friktion auch die Ästhetik, das Korrosionsverhalten sowie die mechanische Dauerbelastbarkeit der Drähte beeinflussen kann. Vonseiten der Hersteller werden hier unterschiedlichste Strategien verfolgt. Unter anderem sind dies beispielsweise die Ionenimplantation mit Vergütung der Drahtoberfläche, die Plasmabehandlung zur Feinstreinigung und gezielten Modifikation der Oberfläche (Entfernung von Rauheitsspitzen in der Mikrostruktur) oder das Aufbringen von zahnfarbenen Teflonbeschichtungen auf die Drahtoberfläche.7 Den Verbesserungen von Gleiteigenschaften, Ästhetik und Korrosionsverhalten stehen aber teilweise Probleme in Bezug auf die mechanische Stabilität der Beschichtung gegenüber. Mithilfe eines neu entwickelten Verfahrens wurden 0.0160 x 0.0220er Euro NiTi- und ß-Titan-Drähte der Fa. ODS* elektrochemisch behandelt mit dem Ziel, die Reibung im Bracket-Draht-Komplex zu reduzieren, andere physikalische Eigenschaften der orthodontischen Drähte dabei aber nicht negativ zu beeinflussen. Zum Vergleich wurde der Sentalloy Bioforce Ion Guard mit untersucht, einer der Drähte mit den derzeit besten Oberflächeneigenschaften.

In den nachfolgenden Abbildungen sind die Ergebnisse einer Studie zusammengestellt, die der Charakterisierung der mechanischen Ei-genschaften der oberflächenveredelten Drähte im Vergleich zu nicht veredeltem Material diente. Folgende Untersuchungen wurden dabei durchgeführt: Messung der Kraftreduktion durch Reibung während der simulierten bogengeführten Zahnbewegung: Als experimentelles Set-up wurde das Orthodontische Mess- und Simulations-System (OMSS) (Abb. 2) eingesetzt.8,9 Die Simulation der Zahnbewegung erfolgte durch sich wiederholende Messvorgänge:

• Messung der ausgeübten Kraft einer NiTi-Zugfeder und der effektiven Kraft am Bracket
• Berechnung von Zahnbewegungen aus den Kraftsystemen
• automatische Durchführung der Zahnbewegungen mit den Verstelltischen des OMSS
• Berechnung der Friktion
über die simulierte Zahnbewegung durch Berechnung des Unterschieds der Kraft der Zugfeder und der Kraft am Bracket.

Typische Kurven für einen unbehandelten und einen oberflächenveredelten NiTi-Bogen sind in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Gegenüber dem unbehandelten Draht weist der vergütete Draht einen deutlich geringeren Kraftverlust durch Friktion auf. Die Ergebnisse der Messungen zum Reibungsverlust an den NiTi- und ß-Titan-Drähten sind in Abbildung 5 in Form der Mittelwerte und Standardabweichungen aufgetragen. Es wurden jeweils zehn Drahtbögen vermessen und der Mittelwert für diese Messungen ermittelt. Der typische Reibungsverlust für unbehandelte NiTi-Bögen liegt bei ca. 35%, ß-Titan-Bögen zeigen Reibungswerte von bis zu 60%. Die Reibungsverluste bei den oberflächenveredelten Bögen konnte signifikant reduziert werden.

In einer weiteren Messung der Nivellierungskraft in einem Dreipunkt-Biegeversuch nach einer ISO/DIN-Vorschrift waren die Kräfte bei 3mm Auslenkung relativ hoch für alle NiTi-Drahttypen. Bei 1mm Auslenkung (Ende des Plateaus) liegen die Kräfte bei ca. 1N. Für die ß-Titan-Bögen sind die Kräfte bereits nach 0,5mm exzessiv. Es zeigen sich nur geringe Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Bögen. Aufgrund einer leichten Reduktion des Durchmessers behandelter gegenüber unbehandelter ß-Titan-Drähte von 2%, reduzierte sich die Kraft im Drei-Punkt-Biege- und Nivellierungsversuch von 7,3N auf 6,1N. Bei den NiTi-Drähten blieben die durchschnittliche Kraft (ca. 1N) und Neigung des Entlastungsplateaus konstant.

Außerdem wurden die Geometrie- und Oberflächenveränderungen durch das Veredelungsverfahren analysiert (Abb. 6). Dabei ergab sich eine geringfügige, jedoch nicht signifikante Reduktion des Drahtquerschnitts. Insbesondere lagen alle Bögen innerhalb der Toleranz, die durch den Standard definiert wurde. Auch die Kantenverrundung nahm bei den ß-Titan-Proben geringfügig zu, während bei den NiTi-Proben keine Veränderung festzustellen war. Die geringfügige Querschnittsverminderung kann auch die reduzierte Kraft im Drei-Punkt-Biege- und Nivellierungsversuch erklären.

Bei der werkstoffkundlichen Untersuchung der oberflächenveredelten kieferorthopädischen NiTi- und ß-Titan-Bögen konnten keine negativen Einflüsse dieses neuen Verfahrens in Hinblick auf das Dauerbruchverhalten bestimmt werden (Abb. 7, 8). Das Dauerbruchverhalten wird in sogenannten Wöhler-Versuchen getestet. Dabei werden Probekörper einer zyklischen mechanischen Dauerbelastung mit unterschiedlichen vordefinierten Auslenkungen ausgesetzt. Im Falle der untersuchten Drähte wurden bei einer Drahtlänge von 10mm Auslenkungen zwischen 0,5 und 3,0mm aufgebracht. Die Probe wird dann so lange zyklisch belastet, bis sie bricht oder eine Maximalzahl von Lastspielzyklen erreicht ist. Trägt man den Zeitpunkt des Bruchereignisses gegen die Auslenkung auf, ergeben sich charakteristische Kurven wie in den Abbildungen 7 und 8 dargestellt, und man kann das Dauerbruchverhalten verschiedener Produkte vergleichen. Die Kurven verdeutlichen, dass das Veredelungsverfahren keinerlei negative Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften erwarten lässt.

Abschließend wurden die Oberflächen der kieferorthopädischen Bögen mithilfe von rasterelektronenmikroskopischen (REM) Aufnahmen dokumentiert. Die verschiedenen untersuchten Oberflächen sind in Abbildung 9 zusammengestellt. Die Reduktion der Oberflächenrauheit durch den Veredelungsprozess zeigt sich sehr deutlich, sowohl beim NiTi- als auch beim ß-Titan-Draht.

Schlussfolgerung


Durch diese neuartige Oberflächenbehandlung orthodontischer Drähte konnte der Reibungsverlust um etwa 20 bis 30% reduziert werden, während alle anderen untersuchten physikalischen Eigenschaften nahezu unverändert blieben. Die Vorteile der reduzierten Reibung können während der Nivellierungsphase oder während des Lückenschlusses genutzt werden und unerwünschte Nebenwirkungen, die durch den Kraftverlust durch Friktion klinisch beim Patienten entstehen, können somit durch Einsatz dieser neuen Bögen signifikant reduziert werden.

Autoren: Dr. Jan Roehlike, Univ.-Prof. Dr. Bert Braumann, Miriam Meier, Bashir Schatlo, Univ.-Prof. Dr. Christoph Bourauel

*Anm. d. Red.: ODS GmbH,
Kisdorf, Tel.: 0 41 93/96 58 40
www.orthodent.de

Eine ausführliche Literaturliste finden Sie hier.

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