Właściwości reologiczne ortodontycznych wyciągów elastycznych doświadczenie in vitro. Force Relaxation of Orthodontic Latex Elastics in Vitro Study

Transkrypt

1 ORIGINAL PAPERS Dent. Med. Probl. 2008, 45, 4, ISSN X Copyright by Wroclaw Medical University and Polish Stomatological Association MARCIN MIKULEWICZ 1, JANUSZ SZYMKOWSKI 2,PATRYCJA KOSSAKOWSKA 3 Właściwości reologiczne ortodontycznych wyciągów elastycznych doświadczenie in vitro Force Relaxation of Orthodontic Latex Elastics in Vitro Study 1 Samodzielna Pracownia Wad Rozwojowych Twarzy, Katedra Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM we Wrocławiu 2 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Politechnika Wrocławska 3 Katedra Stomatologii Wieku Rozwojowego, Zakład Ortodoncji, Uniwersytet Medyczny w Łodzi Streszczenie Wprowadzenie. Wyciągi elastyczne są jednym z elementów generujących siły stosowane podczas ortodontyczne go przesuwania zębów. Każdy wyciąg jest charakteryzowany przez wiele określonych, specyficznych cech fizy kalnych. Między innymi jest to wartość generowanej siły przy odpowiednim rozciągnięciu. Pzrzy stosowaniu od powiednich sił podczas leczenia ortodontycznego oraz planowania wizyt kontrolnych jest ważna znajomość war tości relaksacji sił generowanych przez stosowane elastomery. Cel pracy. Ocena właściwości reologicznych wyciągów elastycznych różnych producentów w warunkach in vitro. Materiał i metody. Materiałem były wybrane ortodontyczne wyciągi elastyczne (mocny, średni, słaby) firm 3M Unitek, OrthoOrganizers, American Ormco. Do badań wybrano następujące wyciągi 3M Uni tek: ¼ cala Fred, Elliot, Gary; OrthoOrganizers: ¼ cala Rhino, Lion, Gazelle; American Orthodontics: ¼ cala Sea Lion, Bald Eagle, Falcon; Ormco: ¼ cala Bear, Seal, Owl. Oceny właściwości wyciągów dokonywano na urządze niu zaprojektowanym i skonstruowanym przez autorów pracy. Wyniki. Wszystkie oceniane wyciągi uległy relaksacji w czasie 24 h. Stopień utraty siły wahał się (w zależności od rodzaju wyciągu) 5,7 17,7%. Wnioski. Zalecenia zmiany dobowej wyciągów wydają się być zasadne z uwagi na prezentowaną relaksację w czasie (24 h) (Dent. Med. Probl. 2008, 45, 4, ). Słowa kluczowe: ortodoncja, wyciągi elastyczne, badania reologiczne, relaksacja siły. Abstract Background. Latex elastics are one of many elements which can create a force which can be used during ortho dontic therapy. Each elastic is characterized by specific properties. One of them is value of generated by proper extension force. Knowledge of force relaxation of latex elastics during orthodontic treatment can be usefull in determinig application of force (with adequate value) or planning control visits. Objectives. The aim of the study was evaluation of force degradation of chosen orthodontic latex elastics in in vi tro conditions. Material & methods. Chosen material were brand new ¼ inch orthodontic latex elastics (heavy, medium, light) manufactured by 3M Unitek (Fred, Elliot, Gary), OrthoOrganizers (Rhino, Lion, Gazelle), American Orthodontics (Sea Lion, Bald Eagle, Falcon), Ormco (Bear, Seal, Owl). Evaluation was done on testing machine designed and manufactured by the authors. Results. All evaluated latex elastics showed force relaxation during 24 h, which varied between (depending on ty pe of elastic) 5,7 17,7%. Conclusions. Daily indications for elastics change seems to be reasonable because of presented force relaxation in time (24 h) (Dent. Med. Probl. 2008, 45, 4, ). Key words: orthodontics, latex elastics, relaxation, force relaxation.

2 Właściwości reologiczne ortodontycznych wyciągów elastycznych 421 Wyciągi elastyczne są jednym z elementów generujących siły stosowane podczas ortodontycz nego przesuwania zębów [1, 2]. Przesuwanie poje dynczych zębów lub ich grup, korekta położenia linii pośrodkowej zębów, zamykanie szpar to jedne z wielu zastosowań wyciągów elastycznych [3,4]. Każdy wyciąg jest charakteryzowany przez wiele określonych, specyficznych cech fizykal nych. Są to między innymi: średnica wewnętrzna, pole przekroju poprzecznego, wartość generowa nej siły przy odpowiednim rozciągnięciu [5, 6]. Znajomość wartości przykładanej siły ma znacze nie podczas terapii ortodontycznej, ponieważ po dawane przez producentów wartości sił generowa nych przez materiały sprężyste/elastyczne nie za wsze odpowiadają wartościom rzeczywistym. Przy stosowaniu odpowiednich sił podczas lecze nia ortodontycznego oraz planowania wizyt kon trolnych jest więc ważna znajomość wartości re laksacji sił generowanych przez elastyczne wycią gi. Celem pracy była ocena właściwości reologicznych wyciągów elastycznych różnych producentów. Materiał i metody Materiałem były wybrane ortodontyczne wy ciągi elastyczne (silne, średnie, słabe) firm 3M Unitek, OrthoOrganizers, American Ortho dontics, Ormco. Do badań wybrano następujące wyciągi: 3M Unitek: ¼ cala Fred, Elliot, Gary; OrthoOrganizers: ¼ cala Rhino, Lion, Gazelle; American Orthodontics: ¼ cala Sea Lion, Bald Eagle, Falcon; Ormco: ¼ cala Bear, Seal, Owl (Tab.1). Wszystkie oceniane wyciągi elastyczne były nowe (nieużywane). Oceny dokonywano na urządzeniu zaprojektowanym i skonstruowanym przez autorów pracy (opis budowy urządzenia: Dent Med. Probl. 2007, 44, , nr patento wy P ). Schemat budowy urządzenia przed stawiono na rycinie 1. Urządzenie zostało w odpo wiedni sposób wykalibrowane. Wyciąg rozciąga no na zaczepie siłomierza i zaczepie ruchomym pozwalającym na pomiar rozciągnięcia A za po mocą śruby mikrometrycznej. Działał on na siło mierz siłą F (ryc. 2). Z czasem wartość tej siły zmniejsza się z powodu relaksacji naturalnego la teksu, z którego wyciągi są wykonane. Wartość siły F mierzono i rejestrowano w torze pomiaro wym. Jednocześnie badano 5 wyciągów wybra nych losowo z opakowania handlowego. Ocenio no po 10 wyciągów z każdego rodzaju. Rozcią gnięcie wynosiło trzykrotną wartość średnicy wyciągu (3 6,4 mm 19,2 mm). Wyciągi były zanurzone w wodzie destylowanej o temperaturze około 36,6 ºC podczas całodobowego cyklu po miarowego. Po tym czasie wyciągi zdejmowano i zakładano nowe. Pomiar generowanej siły był re jestrowany w odstępach 5 minutowych. Wyniki Wartości generowanych sił (maksymalna siła początkowa maksymalna wartość siły zarejestro Ryc. 1. Schemat budowy urządzenia pomiarowego. 1 wyciąg elastyczny, 2 zestaw pięciu siłomierzy połączonych mostkiem, 3 śruba mikrometryczna do rozciągnięcia wyciągu, 4 panel połączeniowy HBM VT 10, 5 wzmacniacz pomiarowy HBM UPM 60, 6 komputer ze specjalistycznym oprogramowaniem CATMAN 3.0, 7 termometr. Fig. 1. Schema of testing machine. 1 orthodontic latex, 2 five force transducers with strain gauges, 3 microme ter for A measurement, 4 distribution panel HBM VT 10 for five channel connection, 5 measuring amplifier HBM UPM 60, 6 PC with software CATMAN 3.0, 7 thermometer.

3 422 M. MIKULEWICZ, J. SZYMKOWSKI, P. KOSSAKOWSKA F F f=2,5 Gazelle; American Orthodontics: ¼ cala Sea Lion, Bald Eagle, Falcon; Ormco: ¼ cala Bear, Seal, Owl, przy trzykrotnym rozciągnięciu (19,2 mm) przedstawiono w tabeli 2. Na rycinach 3 4 przed stawiono wybrane wykresy przebiegu mierzonych sił w czasie (24 godziny); rycina 3 dla wyciągów Gazelle (OrtohoOrganizers), rycina 4 dla wycią gów Fred (3M Unitek). A = 19,2 mm Ryc. 2. Element urządzenia pomiarowego (schemat). A wartość rozciągnięcia wyciągu, F kierunki dzia łającej siły Fig. 2. Part of testing machine (schema). A latex extension, F vectors of force si³a (kg) force (kg) 0,056 0,055 0,054 0,053 0,052 0,051 0,05 0,049 0,048 0,047 OrthoOrganizers GAZELLE czas (godz.) time (h) Ryc. 3. Relaksacja w czasie 24 godzinnym Gazelle (OrthoOrganizers) Fig. 3. The force relaxation over the 24 hour testing period Gazelle (OrthoOrganizers) wana podczas pierwszego pomiaru, minimalna si ła początkowa minimalna wartość siły zareje strowana podczas pierwszego pomiaru, średnia si ła początkowa średnia wartość sił zarejestrowa nych podczas pierwszego pomiaru, średnia wartość podczas 24 h, średnia na koniec badania, % relaksacji, wartość sił podawana przez produ centa) przez wyciągi 3M Unitek: ¼ cala Fred, Elliot, Gary; OrthoOrganizers ¼ cala Rhino, Lion, Dyskusja Rezultaty badań własnych wskazują na postę pującą relaksację ortodontycznych wyciągów late ksowych w czasie. Jest to zgodne z obserwacjami innych autorów [7 10]. Należy zwrócić uwagę na występujące duże różnice w wartościach genero wanych sił po rozciągnięciu wyciągu np. wycią gi Rhino (OrthoOrganizers), gdzie różnice między zarejestrowaną wartością maksymalną a minimal ną wyniosły 59 g. W wynikach wyciągów innych firm również pojawiły się znaczne różnice. Wyda je się, że wynika to z nieprecyzyjnego procesu produkcji (cięcia lateksu), co powoduje otrzyma nie wyciągów różniących się nieznacznie parame trami fizykalnymi. Wpływa to na generowanie sił o odmiennych wartościach. W badaniach własnych spadki wartości gene rowanej siły w czasie wahały się 5,7 17,7%. Trze ba podkreślić, że spadki wartości sił były zdecydo wanie mniejsze dla wyciągów silnych (strong). W piśmiennictwie światowym znajdują się donie sienia dotyczące badań reologicznych. W pracy Kersey et al. [7] oceniane wyciągi elastyczne, o średnicy ¼ cala, zostały rozciągnięte do trzy krotnej wartości średnicy wewnętrznej. Cykl po miarowy wynosił 1 dobę. Autorzy podkreślili, że spadek siły w czasie (24 godziny) wyniósł 17%. Wartość sił generowanych przez wyciągi była niż sza od podawanej przez producenta (122 g) [7]. W innej pracy porównano właściwości reologicz nych wyciągów 1/4, 3/16, 5/16 cala [8]. Autorzy ci podali, że utrata wartości generowanej siły wy niosła 30% w pierwszej godzinie i dodatkowe 7% si³a (kg) force (kg) 0,226 0,224 3M Unitek FRED 0,222 0,220 0,218 0,216 0,214 0, czas (godz.) time (h) Ryc. 4. Relaksacja w czasie 24 godzinnym Fred (3M Unitek) Fig. 4. The force relaxation over the 24 hour testing period Fred (3M Unitek)

4 Właściwości reologiczne ortodontycznych wyciągów elastycznych 423 Tabela 1. Wyciągi elastyczne włączone do badania (mocny, średni, słaby) Table 1. The latex elastics included in the study (heavy, medium, light) Producent Rozmiar Siła deklarowana przez (Manufacturer) (Size) producenta cale (Manufacturer force value) g OrthoOrganizers, (Rhino, ¼ Lion, Gazelle) 3M UNITEK, (Fred, Elliot, ¼ Gary) Ormco, (Bear,Seal, Owl) ¼ Am Orthodontics (Sea Lion, ¼ Bald Eagle, Falcon) Tabela 2. Sumaryczne wartości sił generowanych przez oceniane wyciągi elastyczne Table 2. Summarized force values generated by evaluated latex elastics Wyciąg Maksymalna Minimalna Średnia siła Średnia siła Średnia siła % relaksa Wartości sił (Elastic) siła począt siła począt 24 h początkowa na koniec cji 24 h podawane kowa kowa (Average force (Average badania (% of przez produ (Max initial (Min initial 24 h period) initial force) (Average relaxation centów force) force) g g force in 24 h (Manufac g g the end of period) turer force 24 h period) g value) g OrthoOrga nizers, Rhino OrthoOrga nizers, Lion OrthoOrga nizers, Gazelle 3M UNITEK, Fred 3M UNITEK, Elliot 3M UNITEK, Gary Ormco, Bear Ormco, Seal Ormco, Owl Amercican Sea Lion Amercican Bald Eagle Amercican Falcon Max initial force max force value registered during first read out, min initial force min force value registered during first read out, average initial force average force value registered during first read out Maksymalna siła początkowa maksymalna wartość siły zarejestrowana podczas pierwszego pomiaru, minimalna siła początkowa minimalna wartość siły zarejestrowana podczas pierwszego pomiaru, średnia siła początkowa średnia wartość sił zarejestrowanych podczas pierwszego pomiaru

5 424 M. MIKULEWICZ, J. SZYMKOWSKI, P. KOSSAKOWSKA w ciągu następnych 3 dni. Russel et al. [5] porów nali relaksację statyczną w czasie wyciągów late ksowych i nielateksowych, stwierdzając, że utrata sił (mierzonych do początkowej wartości) w cza sie 24 godzin wyniosła około 25 30%. W pi śmiennictwie dostępne są informacje o podobnych urządzeniach do oceny reologicznych własności materiałów. Gioka et al. [9] w celu oceny relaksa cji naturalnych lateksowych wyciągów skonstruo wali urządzenie składające się ze śruby mikrome trycznej umieszczonej na stole połączonej z ukła dem pomiarowym. Autorzy oceniali lateksowe wyciągi 3/16, 1/4, 5/16 cala. We wnioskach stwierdzili, że relaksacja wyciągów w cyklu dobo wym wyniosła 25%, przy czym największa utrata generowanej siły następowała w 3 5 godzinie od przyłożenia siły [9]. Fraunhofer et al. [10] ocenia li łańcuszki elastyczne poddane działaniu siły rzę du przez okres 4 tygodni, zanurzone w sztucznej ślinie. Stwierdzili, że przykładanie siły przekra czającej 300 g nie jest zalecane ze względu na na stępującą relaksację oraz że mniejsza relaksacja występuje w łańcuszkach zanurzonych w wodzie destylowanej niż w sztucznej ślinie [10]. Również nie zalecili rozciągania łańcuszków do wartości przekraczającej 100% ich długości. Beattie et al. ocenili wpływ rodzaju diety podczas symulowane go klinicznego stosowania na releksację w czasie wyciągów 1/16 cala. Oceniano wyciągi następują cych producentów; Rocky Mountain Orthodon tics, 3M Unitek, American Orthodontics. Wykaza no, że w całodobowym cyklu pomiarowym elasto mery utrzymywały generowaną siłę [1]. Należy podkreślić, że oceniane wyciągi gene rowały siły, w wielu przypadkach, odbiegające od deklarowanych przez producentów. W sytuacjach klinicznych, kiedy możliwe jest stosowanie siły o mniejszej wartości (np. przyłożenie siły do poje dynczego zęba), należałoby wybierać wyciągi lekkie. W takich przypadkach nawet odbiegają ca od deklarowanej siła może nie spowodować urazu jatrogennego. Zalecenia zmiany dobowej wyciągów wydają się być zasadne z uwagi na pre zentowaną relaksację w czasie (24 h), sięgającą w niektórych przypadkach 17,7%. Piśmiennictwo [1] BEATTIE S., MONAGHAN P.: An in vitro study simulating effects of daily diet and patient elastic band change com pliance on orthodontic latex elastics. Angle Orthod. 2004, 74, [2] WONG A. K.: Orthodontic elastic materials. Angle Orthod.1976, 4, [3] STEVENSON J. S., KUSY R. P.: Force application and decay characteristics of untreated and treated polyurethane ela stomeric chains. Angle Orthod. 1994, 64, [4] BALES T. R., CHACONAS S. J., CAPUTO A. A.: Force extension characteristics of orthodontic elastics. Am. J. Orthod. 1977, 72, [5] RUSSEL K. K., MILNE A. D., KHANNA R. A., LEE J. M.: In vitro assessment of the mechanical properties of latex and non latex orthodontic elastics. Am. J. Orthod. Dentofacial. Orthop. 2001, 120, [6] HWANG C. K., CHA J. Y.: Mechanical and biological comparison of latex and silicon rubber bands. Am. J. Orthod. Dentofacial. Orthop. 2003, 124, [7] KERSEY M. L., GLOVER K. E., HEO G., RABOUND D., MAJOR P. W.: A comparison of dynamic and static testing of latex and nonlatex orthodontic elastics. Angle Orthod. 2003, 73, [8] KANCHANA P., GODFREY K.: Calibration of force extension and force degradation characteristics of orthodontic la tex elastics. Am. J. Orthod. Dentofacial. Orthop. 2000, 118, [9] GIOKA C., ZINELIS S., ELIADES T., ELIADES G.: Orthodontic latex elastics: a force relaxation study. Angle Orthod. 2006, 76, [10] FRAUNHOFER J. A, COFFELT M. T. P., ORBELL G.M.: The effects of artificial saliva and topical fluoride treatments on the degradation of the elastic properties of orthodontic chains. Angle Orthod. 1992, 62, Adres do korespondencji: Marcin Mikulewicz Samodzielna Pracownia Wad Rozwojowych Twarzy Katedra Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM we Wrocławiu ul. Krakowska Wrocław Tel.: e mail: mmikulewicz@poczta.onet.pl Received: Revised: Accepted: Praca wpłynęła do Redakcji: r. Po recenzji: r. Zaakceptowano do druku: r.