Innovazione e Tecnologia in Ortodonzia: come utilizzare correttamente le meccaniche self-ligating

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1 L ampia diffusione delle metodiche straight-wire e il consenso che riscuotono presso i clinici ortodontisti è certamente da mettere in relazione con la semplificazione delle meccaniche. Il clinico che intende fare uso delle tecniche ortodontiche a filo dritto deve conoscere e considerare la frizione che si genera all interfaccia filo/attacco. Le frizioni, infatti, condizionano in modo significativo i livelli di forza esercitati da questo tipo di apparecchiature ortodontiche sul legamento parodontale Periodontal Ligament (PDL). Certamente nel processo di evoluzione di questo tipo di biomeccaniche un ruolo importante è svolto dalle nuove tecnologie. In particolare due elementi hanno avuto un notevole impatto: l introduzione delle leghe NiTi e l impiego degli attacchi auto-leganti. LEGHE NiTi Alla fine degli anni 60 la Marina Militare degli USA stava lavorando ad un nuovo tipo di leghe che mostravano una particolare caratteristica che fu definita Memoria di Forma (Shape Memory Effect- SME). Una di queste leghe venne definita nitinol, acronimo che sta per nickel-titanium Naval Ordnance Laboratory. Nel 1971 il Dr. Andreasen introdusse per la prima volta l uso di queste leghe in Ortodonzia allo scopo di realizzare fili ortodontici. La lega NiTi è formata da un composto intermetallico equiatomico, con piccole possibilità di variazione della composizione al fine di modificare le proprietà del materiale. La classica stechiometria delle leghe NiTi prevede circa uguale quantità di Ni (55%) e di Ti (45%). L aumento della percentuale di Ni (fino all 1%) è l aggiunta più frequente ed ha la funzione di abbassare le temperature di trasformazione. L aggiunta di rame ha lo scopo di ridurre l ampiezza dell isteresi e aumentare la deformabilità della martensite. I fili ortodontici realizzati in lega NiTi sono largamente utilizzati per le loro peculiari proprietà di memoria di forma e superelasticità. La memoria di forma è la proprietà che possiede la lega in NiTi di recuperare una particolare configurazione iniziale, in seguito a deformazione ( ). Tale caratteristica dipende dalla natura di queste leghe di essere dei composti intermetallici a formula variabile, con la capacità, cioè, di cristallizzare allo stato solido in tre fasi: Fase Austenitica: caratterizzata da un reticolo cubico Fase Martensitica: struttura più complessa a reticolo esagonale compatto Fase R o intermedia: miscela Fig. 1 Fig. 3 Angolo critico di contatto ( C) Fig. 4 delle due fasi precedenti. L altra proprietà caratteristica dei fili in NiTi è la superelasticità, cioè la capacità di recuperare completamente, e senza fenomeni elastoplastici, la deformazione provocata dall applicazione di una forza dopo che questa viene rimossa. Al fine di comprendere le caratteristiche dei diversi archi NiTi presenti in commercio è utile descrivere il comportamento che assume la lega NiTi nella tipica curva di caricodeflessione: Primo tratto (fino al punto 1) tratto elastico. La lega presenta un comportamento austenitico con una proporzionalità diretta tra deflessione e carico. Secondo tratto (dal punto 1 al punto 2) fase di carico. La lega passa alla fase martensitica, i livelli di forza rimangono costanti nonostante aumenti la deflessione del filo. Clinicamente tale forza è quella esercitata dal filo al momento dell ingaggio all interno dello slot, pertanto assume un va- Fig. 2 Legatura elastomerica ed effetto freno di bicicletta (Per gentile concessione del Prof. David Suàrez Quintanilla) 3

2 lore clinico meno rilevante rispetto alle forze di lavoro, quarto tratto, (dal punto 3 al punto 4) che sono le forze che si scaricano sul PDL generando il movimento ortodontico. In questa fase la curva ritrova la sua forma originaria rilasciando forze leggere e costanti. Il tratto tre, di ritorno elastico in fase martensitica, (dal punto 2 al punto 3) è di scarso rilievo. ATTACCHI AUTOLEGANTI Gli attacchi auto-leganti possiedono la peculiarità di trattenere il filo ortodontico all interno del lume dello slot senza l ausilio di legature convenzionali. I moduli elastomerici o le legature metalliche intera- Fig. 5 Caratteristiche di superficie al SEM di archi Superelastici di differenti produttori (500x) Fig.7 Comparazione di diverse leghe in caso di configurazione attiva. Fig.8 giscono sempre con il filo determinando il fenomeno, definito effetto freno di bicicletta (Fig. 2) causando un aumento delle forze frizionali. Gli attacchi auto-leganti se utilizzati con fili ortodontici di piccole dimensioni trattengono l arco all interno dello slot senza esercitare una forza attiva, per cui la quota di forze frizionali si riduce facilitandone lo slittamento. Questo aspetto biomeccanico influisce positivamente nelle seguenti fasi del trattamento: allineamento, livellamento e chiusura degli spazi. Non tutti gli attacchi auto leganti si comportano allo stesso modo al crescere della dimensione del filo. A tal riguardo distinguiamo attacchi Fig. 6 Caratteristiche di superficie al SEM di archi Termici di differenti produttori (500x) auto-leganti attivi e passivi. Gli attacchi attivi determinano un schiacciamento del filo contro la base dello slot quando nelle fasi più avanzate di trattamento si impiegano archi di maggiori dimensioni, al contrario gli attacchi passivi non determinano, in nessun caso, schiacciamento attivo. La riduzione delle frizioni è una condizione certamente favorevole nelle fasi iniziali di trattamento mentre risulta sfavorevole se non addirittura dannosa in quelle finali. E infatti la presenza delle frizioni che permette di muovere tridimensionalmente gli elementi dentari sino alla posizione desiderata. SLOT DESIGN Le forze frizionali come è noto dipendono da una serie di variabili tra cui: materiale costituente il filo; sezione del filo; caratteristiche di superficie del filo; materiale costituente il bracket; dimensione dello slot del bracket; caratteristiche di superficie del bracket; presenza di pieghe di 2 e 3 ordine; tipologia dell attacco; design dell attacco; tipo di legatura; la presenza o meno di liquidi lubrificanti. Viene definito θ l angolo che si forma tra l asse mesio-distale dello slot e la posizione assunta dal filo nello stesso. Quest angolo prende il nome di angolo critico di contatto (θc) quando il filo ortodontico interagisce con i margini mesiali e distali dello slot (Fig 3). La condizione in cui θ supera il valore critico di θc è detta configurazione attiva. In tale circostanza le forze frizionali dipendono non solo dalle eventuali legature ma anche dalla forza esercitata dal filo contro i margini apico-coronali dello slot, dando origine al così detto binding. Il Binding si verifica in tutte le fasi di trattamento e la 4

3 sua entità dipende da diversi fattori tra cui: dimensione verticale dello slot, dimensioni del filo, ma anche dalla larghezza dello slot. Infatti, quanto maggiore è la larghezza dello slot tanto più è facilitato l impatto del filo con le estremità mesiali e distali di esso. Vi è pure da considerare che uno slot ampio in direzione mesio-distale riduce la distanza inter-bracket, e quindi conseguentemente, riduce l elasticità del filo, che esprime forze di maggiore entità che finiscono per gravare ulteriormente sul sistema. Da tutto ciò si evince che la geometria dello slot ha importanti ricadute biomeccaniche sulle forze frizionali. La presenza di estremità mesio-distali arrotondate può minimizzare questi effetti riducendo l ampiezza nominale dello slot. Inoltre l assenza di spigoli vivi può evitare il fenomeno definito impinging o sticking, tale evenienza si realizza quando uno spigolo vivo si impunta sul filo ortodontico provocando il blocco dello slittamento filo/attacco. Alla luce di queste considerazioni la nostra scuola ha suggerito all American Orthodontics di modificare in parte il design dello slot del bracket Time2 al fine di ridurre ulteriormente la resistenza allo slittamento, arrotondando tutti gli spigoli con cui il filo viene a contatto quando si trova in configurazione attiva. Tali modifiche sono state in parte riprodotte nel Time3 che consideriamo quanto di meglio si possa reperire attualmente sul mercato, in quanto esso rappresenta un efficace compromesso tra l impiego di basse frizioni richiesto nelle fasi iniziali di trattamento e l ottenimento di un adeguato controllo tridimensionale nelle fasi finali di finitura. Lo slot design assume un ruolo importante. In particolare fra i diversi fattori che definiscono il design di un attacco due elementi svolgono un ruolo chiave: la distanza mesio-distale del bracket e la presenza di svasature. La riduzione del valore nominale dello slot in termini di ampiezza mesio-distale paga tuttavia un prezzo rispetto alle informazioni di secondo ordine contenute nello stesso. LOW FRICTION LOW FORCE Capita sovente quando si parla di biomeccaniche self-ligating che queste ultime vengano anche definite low friction - low force come se il binomio fosse inscindibile. Purtroppo le cose non sono così semplici e sebbene il sopracitato binomio sia certamente auspicabile, a volte, un improprio utilizzo determina in realtà un aumento dell intensità delle forze nette. Infatti, se teniamo in considerazione la seguente equazione: FORZA DELL ARCO FORZA FRIZIONALE = FORZA ESERCITATA SUL PDL paradossalmente la riduzione delle 5

4 forze frizionali che si ottiene impiegando attacchi self-ligating potrebbe condurre ad un aumento delle forze esercitate sul parodonto. La riduzione delle frizioni e il conseguente adeguamento delle forze impiegate determina dei vantaggi indubbi, primo fra tutti la possibilità di applicare livelli di forze più leggeri e quindi maggiormente predicibili. Tuttavia è da tenere in considerazione che risulta ancora sconosciuta quale sia l intensità della forza ortodontica ideale e che teoricamente come ipotizzato da Schwarz (5) nel 1932 tale forza non dovrebbe superare la pressione capillare per evitare fenomeni ischemici. Alla luce delle ridotte conoscenze nell ambito delle forze ottimali è condivisibile l ipotesi di un impiego di forze che siano più leggere possibili, ma che tuttavia siano sufficienti allo scopo prefissato (6). La figura 4 mostra una comparazione tra 2 archi ortodontici (Termico e Superelastico) prodotti dall American Orthodontics di sezione.014 in sottoposti a una deflessione di 4 mm. Come è possibile osservare le forze di lavoro rilasciate da questi 2 fili appaiono differenti; il filo Termico presenta una working force notevolmente inferiore rispetto a quello superelastico. Alla luce di questo dato sperimentale riteniamo che sia imprescindibile, nelle meccaniche self-ligating e durante le fasi di allineamento, l utilizzo di fili NiTi termici di piccole dimensioni, purché in grado di produrre spostamento. E ciò nonostante i fili termici presentino peggiori caratteristiche di superficie rispetto ai corrispondenti fili superelastici. Analizzando, infatti, la superficie dei fili NiTi al SEM è possibile osservare (Fig. 5 e 6), come la caratteristiche di superficie siano condizionate dal trattamento di ciclaggio termico forzato cui vengono sottoposti in fase di produzione. Del resto I fili NiTi sembrano creati ad hoc per le meccaniche low-friction, per diversi motivi. In primo luogo, come è possibile osservare dalla figura 7, in caso di configurazione attiva (ad esempio attacchi disallineati) la lega NiTi sviluppa i più bassi valori frizionali se confrontati con altre leghe (SS e TMA) favorendo lo sliding. Tale dato è certamente da mettere in relazione con l elevata elasticità della lega a memoria di forma, nonostante le sue pessime caratteristiche di superficie (4). Come messo in evidenza da Kasuya e coll. (7) nell ambito di uno studio in vitro l applicazione di legature convenzionali ed in particolare di moduli elastomerici, snatura le caratteristiche intrinseche delle leghe NiTi (Fig. 7) facendo assumere a queste ultime in fase di lavoro un comportamento di tipo simil-austenitico. In altre parole i fili NiTi se vincolati da legature convenzionali tendono a perdere la loro caratteristica più importante: la superelasticità. Questo aspetto rende i fili NiTi ideali per le meccaniche con Self-ligating bracket (SLB). Inoltre i SLB hanno la peculiare caratteristica di consentire il Full bracket engagement. La presenza, nel design del bracket, di una parete rigida assicura un ingaggio totale del filo all interno dello slot. Ciò ha ripercussioni importanti sulla forza esercitata dal filo, in quanto, una maggiore deflessione dello stesso ne migliora le performance. Come si osserva dalla figura 8 all aumentare del 6

5 grado di deflessione diminuiscono i livelli medi di forza di rilascio. Nel caso del filo.016 NiTi super elastico la deflessione di 2mm non è addirittura sufficiente ad indurre la transizione a martensite stress-indotta. Enfatizzando il concetto ci sembra di poter affermare che i fili NiTi e le meccaniche a bassa frizione sembrano fatti l uno per l altro, nel senso che la loro interazione produce effetti sinergici. I fili NiTi termici esprimono, in configurazione attiva, forze minori e quindi frizioni più basse; gli attacchi auto leganti consentono a queste leghe di esprimere compiutamente le loro proprietà intrinseche, che potrebbero andare perdute quando i fili sono vincolati da legature. CASO CLINICO La paziente F.F. di anni 16 presentava una lieve classe 2 scheletrica con normale divergenza dei piani facciali. Nonostante la presenza rapporti dento-basali alterati che controindicavano una scelta terapeutica espansiva, è stata eseguita una terapia non estrattiva al fine di migliorare la estrusione del profilo. Al termine del trattamento la paziente ha migliorato l estetica facciale in quanto l espansione dento-alveolare che è stata raggiunta ha fornito maggiore sostegno ai tessuti molli. Nonostante i rapporti dento-basali risultino alterati al termine del trattamento la paziente presenta un buon trofismo parodontale. Pre Post Standard SNA^ 77,5 81,4 82 +/-2 SNB^ 74,4 80,1 80 +/-2 ANB^ 3,0 1,3 2 +/-2 SN^Mandibular Plane 32, /-4 UI^Mandibular Plane 100,7 110,1 90+/-3 LI^Palatal Plane 115,6 125,7 110+/-2 Upper Lip Projection (TVL) -1,3 mm -1,0 mm -0,1+/-1 Point A Projection (TVL) 0,5 mm 1,5 mm 3,7+/-1,2 Lower Lip Projection (TVL) -2,7 mm -1,6 mm 1,9+/-1,4 Point B Projection (TVL) -10,2 mm -9,5 mm -5,3+/-1,5 Tabella 1 Dati cefalometrici pre e post trattamento. BIBLIOGRAFIA 1. G.A. Thorstenson, R.B. Kusy: Effect of archwire size and material on the resistance to slide of self ligating bracket with second order angulation in the dry state. Am J of Orthod Dentofacial Orthop 2002; 122 : T.K. Kim e coll.: Comparison of frictional forces during the initial leveling stage in various combinations of self-ligating brackets and archwires with a custom designed typodont system. Am J of Orthod Dentofacial Orthop 2008; 133 : S. Tecco, D. Di Iorio, G. Cordasco, I.Verrocchi, F. Festa: An in vitro investigation of the influence of self-ligating brackets, low friction ligatures, and archwire on frictional resistance. Eur J Orthod 2007, Aug; 29(4) G. Matarese, R. Nucera, A. Militi, M. Mazza, M. Portelli, F. Festa, G. Cordasco: Evaluation of frictional forces during dental alignment: An experimental model with 3 nonleveled brackets. Am J of Orthod Dentofacial Orthop 2008; 133 : Schwarz AM.: Tissue changes incident to orthodontic tooth movement. Int J Orthod 1932;18: Y. Ren, J.C. Maltha, A.M. Kuijpers-Jagtman: Optimum Force Magnitude for Orthodontic Tooth Movement: A Systematic Literature Review. Angle Orthod 2003:73: S. Kasuya e coll.: The effect of ligation on the load deflection of characteristics of Nichel-titanium orthodontic wire. Eur J Orthod 29(2007)