Teeth with external apical root resorption under orthodontic movement: an in silico analysis on stress and displacement

Abstract

Purpose External apical root resorption is an undesirable outcome of orthodontic treatment. Patients with already existing root resorption who require orthodontic treatment should be carefully evaluated. The objective of this study was to evaluate the effect of apical root resorption and different orthodontic forces on stress and displacement in the tooth and periodontium using a three-dimensional (3D) finite element analysis method.

Methods Two 3D models of an upper central incisor were constructed based on tomographic images. Two models (original tooth length and an apical resorption of 3 mm) and four types of force application (intrusion, extrusion, tipping, and translation) resulted in eight variations from the two original study factors (apical resorption and orthodontic movement). The mechanical properties, mesh, boundary conditions, and loading were added to the specific finite element analysis software (Ansys, Houston, PA, USA). Orthodontic forces (0.6 N) were applied to the brackets to simulate orthodontic movements.

Results Quantitative analysis showed that the highest von Mises tension values were found in the models subjected to translational movement, regardless of the root condition. The values obtained for the displacement of the studied structures did not differ significantly. In a qualitative analysis comparing teeth with and without apical resorption, teeth with apical resorption showed higher stress concentrations in the cortical bone and periodontal ligament.

Conclusion Apical resorption did not significantly influence maximum displacement of the involved structures but influenced stress in the periodontal tissues. The translational movement resulted in the highest stress values in the tooth and periodontal tissues.

Zielsetzung Externe apikale Wurzelresorption ist ein unerwünschtes Ergebnis einer kieferorthopädischen Behandlung. Patienten mit bereits vorhandener Wurzelresorption, die eine kieferorthopädische Behandlung brauchen, sollten sorgfältig untersucht werden. Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen einer apikalen Wurzelresorption und verschiedener kieferorthopädischer Kräfte auf Spannungen und Verschiebungen im Zahn und im Parodontium mithilfe einer dreidimensionalen (3D) Finite-Elemente-Analyse-Methode zu untersuchen.

Methoden Zwei 3D-Modelle eines oberen zentralen Schneidezahns wurden auf der Grundlage tomographischer Aufnahmen konstruiert. Zwei Modelle (ursprüngliche Zahnlänge und eine apikale Resorption von 3 mm) und 4 Arten der Kraftanwendung (Intrusion, Extrusion, Kippung und Translation) ergaben 8 Variationen der beiden ursprünglichen Studienfaktoren (apikale Resorption und kieferorthopädische Bewegung). Die mechanischen Eigenschaften, das Mesh, die Randbedingungen und die Belastung wurden in die spezielle Finite-Elemente-Analyse-Software (Ansys, Houston, PA, USA) eingegeben. Kieferorthopädische Kräfte (0,6 N) wurden auf die Brackets ausgeübt, um die kieferorthopädischen Bewegungen zu simulieren.

Ergebnisse Die quantitative Analyse zeigte, dass die höchsten Von-Mises-Spannungswerte bei den Modellen gefunden wurden, die einer Translationsbewegung unterworfen waren, unabhängig vom Ausgangszustand der Wurzeln. Die Werte, die für die Verschiebung der untersuchten Strukturen ermittelt wurden, unterschieden sich nicht signifikant. In einer qualitativen Analyse, in der Zähne mit und ohne apikale Resorption verglichen wurden, zeigten Zähne mit apikaler Resorption höhere Spannungskonzentrationen im kortikalen Knochen und im parodontalen Ligament.

Schlussfolgerung Die apikale Resorption hatte keinen signifikanten Einfluss auf die maximale Verschiebung der beteiligten Strukturen, wohl aber auf die Spannungen in den parodontalen Geweben. Die translatorische Bewegung führte zu den höchsten Spannungswerten im Zahn und in den parodontalen Geweben.