Biomechanical failures with the use of orthodontic mini-implants: finite element analysis

Esta tese foi dividida em três partes, sendo que cada uma consistiu estudo independente, com objetivos próprios. Na parte 1, o objetivo foi avaliar a influência do modo de representar a interface osso-OMI (osseointegrada ou não osseointegrada) sobre a previsão do risco de reabsorção óssea peri-implantar. Foram construídos quatro modelos tridimensionais que representaram o OMI inserido em quatro cilindros de osso de densidades crescentes, diferenciados pela espessura do osso cortical (Ct = 0,5; 1,2; 2,0 e 3,0 mm) e pelo módulo de elasticidade do osso trabecular (TE = 0,2; 1,4; 3,0 e 5,5 GPa). Para cada modelo, foram simuladas duas condições de interface osso-OMI: uma que considerava união perfeita entre osso e OMI (osseointegrado) e outra que considerava a possibilidade de movimentos relativos entre eles (não osseointegrado). Uma força horizontal de 2 N foi aplicada na cabeça do OMI, para simular a retração de dentes anteriores. A avaliação do risco de reabsorção óssea peri-implantar foi baseada no critério de falha da deformação principal maior, assumindo um valor crítico de 3.000 strain, tanto para tração quanto para compressão. Os resultados mostraram que, ao simular a interface osso-OMI como perfeitamente unida, o risco de perda de estabilidade do OMI por reabsorção óssea peri-implantar no osso menos denso fica subestimado. Na parte 2, foram novamente representadas as quatro condições de qualidade óssea, mas com modelos que representavam o contorno anatômico dos ossos correspondentes: maxila pouco densa, maxila controle, mandíbula controle e mandíbula muito densa. A AEF foi conduzida para tentar explicar por que os OMIs colocados na maxila apresentam maior taxa de sucesso em relação aos OMI colocados na mandíbula, apesar da melhor qualidade do osso mandibular. Além da força horizontal de 2 N (cenário clínico), foi simulada uma força horizontal de 10 N (condição de sobrecarga) e a interface osso OMI foi simulada como não-osseointegrada em todos os modelos. A avaliação do risco de reabsorção óssea peri-implantar seguiu o mesmo critério da parte 1 e foi também avaliado o risco de falta de estabilidade imediata, baseado no deslocamento intra-ósseo do OMI. Em todos os casos, o pico de deslocamento do OMI ficou muito abaixo do limiar de 50-100 m, o que sugere que a estabilidade primária seria suficiente mesmo no cenário de maxila de baixa densidade sobrecarregada. De acordo com os dados da deformação principal maior, a maxila está mais sujeita a perder sua estabilidade inicial devido à sobrecarga ortodôntica, especialmente na condição de baixa densidade, em que tanto a deformação de tração quanto a de compressão ultrapassaram o limiar de reabsorção óssea patológica. É provável que essa AEF não conseguiu prever o maior risco de falha de OMI em mandíbula de alta densidade porque não simulou as tensões residuais geradas pela inserção do OMI. Portanto, a simulação da inserção do OMI parece essencial para explicar a contradição que motivou esse estudo. Na parte 3, o objetivo foi comparar, através da AEF, o risco de reabsorção radicular inflamatória induzida ortodonticamente (RRIIO) entre duas mecânicas ortodônticas de intrusão (convencional e com mini-implantes), em situações de diferentes níveis de suporte periodontal. Foram construídos quatro modelos de um pré-molar superior inserido na maxila: controle (CTL) e 2, 4 ou 6 mm de perda óssea horizontal (R2, R4 e R6, respectivamente). Uma força de intrusão de 25 cN foi utilizada para as duas mecânicas em estudo. Nos modelos com mini-implante ortodôntico, a força foi dividida entre as faces vestibular e palatina. Nos modelos sem mini-implantes, a força foi aplicada apenas na vestibular. O índice de risco de reabsorção radicular (iRRR) foi calculado dividindo o pico de tensão hidrostática compressiva no ligamento periodontal pela tensão hidrostática dos capilares (4,7 kPa). A mecânica com mini-implante, além de apresentar iRRR sempre menores (CTL 1,2 e 1,4; R2: 1,4 e 1,7; R4: 1,7 e 2,2; R6: 2,4 e 3,2 - para mecânicas com e sem OMI, respectivamente), gerou apenas uma região com tensão hidrostática acima do valor crítico, próxima ao ápice do dente, para todos os modelos. Na mecânica convencional, houve também uma região com tensão hidrostática compressiva acima de 4,7 kPa na região cervical vestibular do modelo com 6 mm de perda óssea horizontal. O uso de mini-implante na intrusão ortodôntica diminuiu o risco de RRIIO em todos os casos simulados e o risco de reabsorção óssea adicional no modelo em que o dente apresentava uma perda óssea horizontal prévia de 6 mm.This thesis was divided into three parts, being each one an independent study with specific objectives. In part 1, the purpose was to assess the influence of the bone-OMI interface (osseointegrated or not osseointegrated) on predicting peri-implant bone resorption risk. Four three-dimensional models were constructed to represent the OMI inserted into four bone cylinders of increasing densities, differentiated by the cortical bone thickness (eC = 0.5; 1.2; 2.0 and 3.0 mm) and by the modulus of elasticity of trabecular bone (Et = 0.2; 1.4; 3.0 and 5.5 GPa). For each model, two bone-OMI interface conditions were simulated: one that considered a perfect union between bone and OMI (osseointegrated) and another that considered the possibility of relative movements between them (non-osseointegrated). A horizontal force of 2 N was applied to the OMI`s head to simulate the retraction of anterior teeth. The risk assessment of peri-implant bone resorption was based on the failure criterion of principal major strain, assuming a critical value of 3.000 strain, both for tension and compression. The results showed that when simulating the bone-OMI interface as osseointegrated, the risk of OMI stability loss due to peri-implant bone resorption in the less dense bone is underestimated. In part 2, the four bone quality conditions were again represented, but with models that represented the anatomical contour of the corresponding bone densities: low dense maxilla, control maxilla, control mandible and high dense mandible. FEA was conducted to explain why OMIs placed in the maxilla have a higher success rate than OMIs placed in the mandible, despite the better quality of the mandibular bone. In addition to the horizontal force of 2 N (clinical scenario), a horizontal force of 10 N (overload condition) was simulated. The bone-OMI interface was simulated as non-osseointegrated in all models. The assessment of the risk of peri-implant bone resorption followed the same criteria as in Part 1, and the risk of insufficient immediate stability was also assessed based on the OMI intra-bone displacement. In all cases, the peak of displacement of the OMI was far below the 50-100 m threshold, which suggests that primary stability would be sufficient even in the overloaded low-density scenario. According to the major principal strain data, the maxilla is more prone to lose its initial stability due to orthodontic overload, especially in the low-density condition, in which both tension and compression strains exceed the pathological bone resorption threshold. This study was probably unable to predict the greatest risk of OMI failure in the high-density mandible since it did not simulate the residual stress strains generated by the insertion of the OMI. Therefore, the simulation of the OMI insertion seems essential to explain the contradiction that motivated this study. In part 3, the objective was to compare, through FEA, the risk of root resorption between two orthodontic mechanics (conventional and bilateral mini-implant intrusion) in conditions of different levels of periodontal support. Four models of an upper premolar inserted in the maxilla were constructed: control (CTL) and 2, 4, or 6 mm of horizontal bone loss (R2, R4, and R6, respectively). An intrusion force of 25 cN was used for the two mechanics under study. In models with OMI, the force was divided between the buccal and palatal surfaces. In models without OMI, the force was applied only on the buccal side. The risk of root resorption index (iRRR) was calculated by dividing the peak of compressive hydrostatic stress in the periodontal ligament by the hydrostatic stress of the capillaries (4.7 kPa). The bilateral mini-implant intrusion, in addition to always presenting a lower iRRR (CTL 1.2 and 1.4; R2: 1.4 and 1.7; R4: 1.7 and 2.2; R6: 2.4 and 3.2 - for conventional and bilateral mini-implants intrusion, respectively), generated only one region with compressive hydrostatic stress above the critical value, close to the apex of the tooth, for all models. In conventional mechanics, there was also a region with compressive hydrostatic stress above 4.7 kPa in the buccal cervical region of the model with 6 mm of horizontal bone loss. The use of mini-implants in orthodontic intrusion decreased the iRRR in all simulated cases and the risk of additional bone resorption in the FE model with horizontal bone loss of 6 mm