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Kieferorthopädie 10.10.2011

Friktionseigenschaften von SL-Brackets – ein Thema auch in der Lingualtechnik?

Friktionseigenschaften von SL-Brackets – ein Thema auch in der Lingualtechnik?

Ein Beitrag von Prof. Dr. rer. nat. Dipl.-Phys. Christoph Peter Bourauel, Zahnarzt Ferid Al-Sakka, Dr. rer. nat. Dipl.-Math. Ludger Keilig, Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Susanne Reimann und OA Dr. med. dent. Nikolaos Daratsianos.

Eigenschaften selbstligierender Brackets

Sogenannte selbstligierende Brackets werden mit zahlreichen he­rausragenden Attributen beworben, die deren Vorzüge im kli­nischen Alltag zugunsten von Patienten und Behandler heraus­stellen sollen. Hierzu gehören vor allem eine Verkürzung der gesamten Behandlungszeit und einzelner Sitzungen, deutlich reduzierte Reibungsverluste im Verlauf der bogengeführten Zahnbewegung oder auch ein effek­tiverer Torqueübertrag bei aktiven selbstligierenden Brackets.1–6 Die Ergebnisse der mittlerweile zahlreichen Studien hierzu sind aber nicht eindeutig und häufig sogar widersprüchlich. Oftmals wird aber auch von eher unbedeutenden oder sogar keinerlei Unterschieden zwischen konventionellen und selbstligierenden Brackets berichtet7–13, wie dies auch sehr eindrucksvoll im Interview mit Prof. Hans-Peter Bantleon in einer der letzten Ausgaben dieser Zeitung deutlich wurde.

Nichtsdestotrotz wurden in den letzten Jahren auch selbstligierende Brackets für die Lingualtechnik entwickelt. Sicher können in Anbetracht der beson­ders anspruchsvollen Situation für den Behandler in der Lingualtechnik die integrierten Verschlussmechanismen das Ligieren des Bogens erleichtern. Gleichzeitig wird aber auch wieder auf die Vorteile der selbstligierenden Brackets hingewiesen, insbesondere was die Reduktion der Reibung (in der Kieferorthopädie wird meist das Synonym Friktion verwendet) zwischen Bracket und Führungsbogen anbelangt. Dieser Beitrag soll daher über neuere Ergebnisse zu Reibungsuntersuchungen an selbstligierenden Brackets in der Lingualtechnik berichten.

Die Reibung bei der bogengeführten Zahnbewegung
 
In den verschiedenen Multiband-/ Multibracket-Techniken werden in einzelnen Phasen der Behandlung Zähne entlang eines Führungsbogens in mesialer oder distaler Richtung bewegt. Dadurch werden zwar unerwünschte Kippungen und Rotationen des Zahnes vermieden, jedoch geht ein Teil der eingesetzten Kraft durch Friktion verloren. Dieser Kraftverlust, der durch Anlagerung des Brackets an den Bogen hervorgerufen wird, kann bis zu 50% der eingesetzten Kraft betragen, in ungüns­tigen Fällen auch deutlich mehr. Die Abbildung 1 zeigt dies schematisch am Beispiel einer Eckzahnretraktion mit einer konventionellen Bracket/Bogen-Apparatur.

Eine ähnliche Situation liegt auch vor, wenn im Verlauf der Nivel­lierungsphase große initia­le Stellungsunterschiede ausgeglichen werden müssen. In derartigen Fällen muss ein beträchtlicher Drahtanteil ungehindert durch die benachbarten Brackets gleiten können (vergleiche Abbildung 2). Kommt es durch Friktion zu einer Behinderung des Gleitvorgangs, so kann sich der Draht verklemmen und die Nivellierung kommt zum Stillstand.  Der Vorteil des verringerten Friktionsverlustes, der seitens verschiedener Autoren selbstligierenden Brackets bei den konventionellen Systemen zugesprochen wird, hat diverse Hersteller von Lingualbrackets veranlasst, selbstligierende Systeme auch in die Lingualtechnik einzuführen. Dabei ist bislang der komplexe Zusammenhang zwischen dem Friktionsgeschehen im Draht-/ Bracket-Komplex und den verschiedenen Materialparametern noch weitgehend ungeklärt, obwohl seit nunmehr bereits über 40 Jahren bis heute in zahlreichen Versuchsanordnungen die Einflüsse des Bracketmaterials, der Bracketbreite oder allgemein des Bracketdesigns, der Ligatur, des Bogenmaterials, und des -querschnitts, der angelegten Kraft sowie der Oberflächenbeschaffenheit von Bracket und Bogen auf die Friktion untersucht wurden.14–21 Die Ergebnisse sind nicht immer vergleichbar und widersprechen sich teilwei­se auch hier, was auf die sehr un­terschiedlichen Versuchsanordnungen zurückzuführen ist.

Experimentelle Unter­suchung des Reibungsverlustes bei Lingualbrackets

Um das Friktionsverhalten von Lingualbrackets mit und ohne integriertem Verschlussmechanismus vergleichen zu können, wurden vier häufig eingesetzte Lingualbracketsysteme untersucht: Die beiden konventionellen IncognitoTM- (3M Unitek/Top-Service für Lingualtechnik) und Joy®-Systeme (Adenta) sowie die selbstligierenden Evolution SLT®- (ebenfalls Adenta) und In-Ovation® LMTM-Systeme (DENTS­PLY/GAC). Die Messungen erfolgten in Form von simulierten Retraktionen eines Prämolaren (4er) im Oberkiefer. Als Führungsbögen kamen konfektionierte Stahl- und Nickel-Titan(NiTi)-Drähte zum Einsatz, die von der Fa. Top-Service in einer für ein Frasaco-Modell vorgebogenen Form zur  Verfügung gestellt wur­den (Abb. 3). Die Stahldrähte hatten die Dimensionen 16 x 22, 16 x 24 und 18 x 25 (0,40 x 0,56mm², 0,40 x 0,60mm², 0,46 x 0,64mm²), während die NiTi-Drähte nur die beiden Querschnitte 16 x 22 und 18 x 25 aufwiesen.

Nach Einlegen der Bögen in die Bracketslots und sorgfältigem Justieren wurden bei den selbstligierenden Bögen die Ligierungsklappen geschlossen bzw. bei den konventionellen Systemen der Bogen mit Ligaturen am Bracket befestigt. Dabei wurde für das zu bewegende Bracket eine Stahlligatur verwendet, die nach dem Festziehen durch Rückro­tation um 90° gelockert wurde. Alle übrigen Brackets wurden mit elastischen Ligaturen versehen. Für die Anwendung der Retraktionskraft wurde eine NiTi-Zugfeder mit der Stärke von etwa 0,5N (50g) eingesetzt.

Die Simulation der Prämolarenretraktionen erfolgte in Bonn mithilfe des biomechanischen Messaufbaus „Orthodontisches Mess- und Simulations-Sys-tem“ (OMSS22,23). Um die Kraftreduktion durch Friktion während der simulierten bogengeführten Zahnbewegung zu messen, wurde folgendermaßen vorgegangen:

• Das Modell wird im OMSS eingebaut und sorgfältig ausgerichtet. Das Prämolarenbracket ist mit einem Kraft-/Drehmoment-Sensor verbunden und wird in Bezug auf den Führungsbogen so justiert, dass keine Kräf­te und Drehmomen­te auf das Bracket einwirken. Der Bogen wird im Bracket durch Schließen der Klappen oder Auflegen der Ligatur fixiert (Abb. 4a).
• Die NiTi-Zugfeder wird ein­gehängt und deren ausgeübte Kraft wird mit einem zweiten Sensor gemessen.
• Das Kraftsystem am Prämo­larenbracket wird gemessen und die daraus resultierende Kraft wird mit einem mathe­matischen Modell berechnet.
• Das OMSS führt die berechnete Zahnbewegung mit den integrierten motorischen Verstelltischen automatisch aus.
• Nach einem kleinen Bewegungsinkrement (typisch 0,02mm) wird die Bewegung gestoppt und das Kraftsystem am Prämolaren erneut gemessen.
• Nach Neuberechnung der Zahnbewegung wird diese wieder mit einem kleinen Bewegungsinkrement ausgeführt.
• Diese letzten drei Punkte werden zyklisch so lange wie-
derholt, bis eine vordefinier-te Retraktionsstrecke erreicht ist (vergleiche Endposition in Abb. 4b).

Dadurch, dass sowohl die eingesetzte Kraft der NiTi-Zugfeder als auch das Kraftsystem am Prämolarenbracket gemessen werden, kann man den Kraftverlust durch Friktion bestimmen. Dieser ergibt sich einfach aus der Differenz der Kraft der NiTi-Zugfeder und der am Bracket ankommenden Kraft. Diese Kraft am Bracket wird durch den Kontakt zwischen Bracketslot und Drahtbogen und der daraus resultierenden Friktion reduziert. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für einen solchen Messverlauf. Jedes Bracket wurde mit den fünf ausgewählten Führungsbögen der unterschiedlichen Querschnitte gemessen. Dabei erfolgten die Messungen an jeweils fünf Draht-/Bracket-Kombinationen eines gewählten Querschnitts. Der Kraftverlust durch Friktion wurde aus den Grafen der fünf Einzelmessungen bestimmt und Mittelwert und Standardabweichung berechnet.

Ergebnisse und Diskussion

In den nachfolgenden Abbil­dungen sind die Ergebnisse der Studie zusammengestellt. Ab­bildung 6 zeigt den gemessenen Reibungsverlust bei Führung der verschiedenen Brackets am 16 x 22er Stahldraht. Prinzipiell ist ein für diese Materialkombination typischer Reibungsverlust von etwas unter bis leicht über 50% der eingesetzten Kraft zu erkennen. Den geringsten Reibungsverlust von ca. 45% konnten wir dabei für das konventionelle Incognito- sowie für das selbstligierende Evolution-Bracket ermitteln. Das konventionelle Joy- und das selbstligierende In-Ovation-Bracket liegen leicht darüber bei 55 bis 58%.

Bei Erhöhung des Drahtquerschnitts auf 16 x 24 (Abb. 7) steigen nur die Reibungsverluste bei den selbstligierenden Brackets deutlich an auf über 80% (Evolution) bzw. etwa 65% (In-Ovation). Bei Incognito und Joy reduziert sich die Reibung sogar ein wenig, jedoch nicht statistisch signifikant. Wird der Drahtquerschnitt weiter erhöht und ein bei der ge­gebenen Slotgröße slotfüllender Bogen eingesetzt, ist zu erwarten, dass das Spiel des Bogens im Slot deutlich reduziert wird und die Reibung dadurch extrem ansteigt. Bei den selbstligierenden Brackets ist ein großer Druck des Clips auf den Bogen zu erwarten. Beide Befunde sind der Abbildung 8 deutlich zu entnehmen: Insbesondere beim konventionel­len Joy- aber auch beim selbstligierenden Evolution-Bracket ist ganz offensichtlich der Slot durch den formatfüllenden Bogen ausgefüllt. Dadurch, dass keinerlei Spiel mehr im System gegeben ist und auch der Clip (Evolution) stark auf den Draht drückt, ist das Gleiten behindert und es zeigt sich ein exzessiver Anstieg des Reibungsverlusts auf etwa 90%.

Das selbstligierende In-Ovation schneidet zwar nicht ganz so ungünstig ab, zeigt aber auch einen Reibungsverlust von etwa 70%. Lediglich das Incognito-Bracket zeigt einen nur geringfügigen Anstieg der Reibung auf etwa 50%. Ob dies an der Materialkombi­-na­tion Gold/Stahl liegt oder an einem verhältnismäßig großen Slot, der auch diesem großen Bogen ein hinreichendes Spiel erlaubt, konnte nicht geklärt werden. Die Abbildungen 9 und 10 zeigen die Ergebnisse zum Kraftverlust durch Friktion bei der Prämolarenretraktion unter Führung am Nickel-Titan-Draht. Für den 16 x 22er NiTi zeigt sich ein leicht reduzierter Reibungsverlust gegenüber der Führung am Stahldraht. Einzige Ausnahme stellt das Evolution-Bracket dar, das einen Reibungsverlust von etwa 70% zeig­te, während die anderen Brackets bei 35 bis 40% lagen und damit um bis zu 20% weniger Reibungsverlust aufwiesen als bei Führung am Stahldraht. Ganz offensichtlich muss dies mit dem leicht reduzierten Querschnitt des NiTi-Drahts in Verbindung gebracht werden, der im Vergleich zum Stahldraht festgestellt wurde. Bei dem großen Drahtquerschnitt (Abb. 10) zeigt sich auch hier ein extremer Kraftverlust durch Friktion von bis zu 90%, ähnlich wie beim Stahldraht. Und auch das Incognito-Bracket zeigt einen signifikanten Anstieg der Reibung bei Führung am 18 x 25er NiTi im Vergleich zur Führung am dünneren Drahtquerschnitt.

Schlussfolgerungen

Insgesamt kann festgestellt werden, dass auch bei den hier untersuchten Draht/Bracket-Kombinationen die bereits in früheren Untersuchungen festgestellten Reibungsverluste gemessen wurden: Abhängig vom tatsächli­chen Bogenquerschnitt muss damit gerechnet werden, dass bei Führung am 16 x 22er Stahl- oder 16 x 22er NiTi-Draht etwa 50% der eingesetzten Kraft durch Friktion verloren geht. Diese Tatsache ist zunächst einmal im Wesentlichen unabhängig von der Art der Ligierung und dem Bracketdesign. Diese beiden Punk-te können zwar durchaus Erhöhungen oder Reduktionen der Friktion bewirken, sind aber ge­genüber den weiteren Parametern deutlich geringeren Einflusses.

Ein besonders großer Einfluss ist dem Drahtquerschnitt und damit dem Spiel des Bogens im Slot zuzusprechen. Je slotfüllender der Draht ist, umso stärker wird das Durchgleiten des Drahtes behindert. Gleichzeitig wird bei den selbstligierenden Systemen noch der Druck des Verschlussmechanismus auf den Draht ansteigen. Da die Reibung ganz besonders von den Kräften in den Kontaktbereichen von Draht, Bracket­slot und Clip abhängen, wird die Friktion bei den selbstligierenden Systemen insbesondere bei größeren Drahtquerschnitten wei­ter erhöht. Bei den selbstligierenden Systemen muss der Einsatz großer Drahtquerschnitte also ganz besonders überdacht sein.

Abschließend soll noch ein kurzer Blick auf den Materialeinfluss geworfen werden: Offensichtlich haben die Materialkombinationen Gold/Stahl sowie Gold/NiTi gegenüber Stahl/Stahl bzw. Stahl/ NiTi leicht reduzierte Reibungskoeffizienten, denn das Incognito-Bracket zeigt in der Gesamtübersicht die niedrigsten Friktionswerte. Des Weiteren ist natürlich festzustellen, dass der Vorteil der konventionellen Brackets gegenüber den selbstligierenden Systemen in Verbindung mit der leicht geöffneten Stahl­ligatur zu sehen ist. Wird eine elastische Ligatur eingesetzt, so muss man davon ausgehen, dass der Kraftverlust durch Friktion extrem stark ansteigt, da der Reibungskoeffizient Gummi/Stahl (bzw. Gummi/ NiTi) deutlich höher ist als bei Stahl/Stahl (oder Stahl/NiTi). Zudem kann die Ligierungskraft nur schwer abgeschätzt oder gar kontrolliert werden. Zahlreiche andere Untersuchungen haben bei Einsatz von Gummiligaturen dann einen Vorteil für die selbstligierenden Systeme gesehen. Dies wird in der Lingualtechnik nicht anders sein.

Insgesamt muss aber auch für die Lingualtechnik festgestellt werden: Ein „Zero-Friction“-Bracket kann es nicht geben! Durch verschiedene Maßnahmen ist der Kraftverlust durch Friktion sicher zu minimieren, aber auch ein noch so intelligentes Design für einen in ein Bracket integ­rierten Verschlussmechanis­mus muss die Hauptfunktion erfüllen: Der Clip muss den Bogen im Bracket halten. Und damit muss es im  Verlauf der Zahnbewegung zu einem Kontakt zwischen Bracketslot, Clip und Führungsbogen kommen. Und dies wird immer Friktion erzeugen.

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