DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v7i1.4992

Comparación de tensiones y desplazamientos entre mini-implantes de acero y titanio insertados con diferentes angulaciones: análisis de elementos finitos

M.E. Ana Gabriela Magaña Lamas

https://orcid.org/0000-0001-9295-7149

M.C.I.C Alan Martínez Zumarán

[email protected]

https://orcid.org/0000-0001-5494-1816

DDS, MSC, PHD. Norma Verónica Zavala Alonso

[email protected]

https://orcid.org/0000-0001-6014-0994

M.O. Oscar Sánchez-Armass Cappello

[email protected]

https://orcid.org/0000-0001-6276-1188

M.A. /M.C. Gylmar Mariel Cárdenas

[email protected]

https://orcid.org/0000-0003-2210-7602

M.O. Enrique González García

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-1829-3724

DDS, MSC, PHD. Marco Felipe Salas Orozco

[email protected]

https://orcid.org/0000-0002-1947-0155

Especialidad en Ortodoncia y Ortopedia Dentomaxilofacial,

Facultad de Estomatología,

Universidad Autonoma de San Luis Potosí

San Luis Potosí, San Luis Potosí, México.

Dirección: Doctor, SLP, Av. Dr. Manuel Nava No. 2,

Zona Universitaria, 78290 San Luis, S.L.P.

Correspondencia: [email protected]

Artículo recibido 28 enero 2023 Aceptado para publicación: 28 febrero 2023

Conflictos de Interés: Ninguna que declarar

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Cómo citar: Magaña Lamas A. G., Martínez Zumarán, A., Zavala Alonso , N. V., -Armass Cappello, O. S., Cárdenas G. M., González GarcíaE., & Salas Orozco, M. F. (2023). Comparación de tensiones y desplazamientos entre mini-implantes de acero y titanio insertados con diferentes angulaciones: análisis de elementos finitos. Ciencia Latina Revista Científica Multidisciplinar, 7(1), 7585-7596. https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v7i1.4992

RESUMEN

Objectivo: El objetivo de este estudio fue evaluar cuantitativamente las tensiones y desplazamientos de los mini-implantes de acero y titanio insertados bajo diferentes ángulos y aplicando una fuerza de retractación. Materiales y métodos: Se creó un modelo CAD del mini-implante de la marca TD Orthodontics. Posteriormente, se asignaron las características de los materiales a evaluar (acero o aleación de titanio). Se utilizó el software SolidWorks para hacer la malla de los modelos de mini-implante y hueso, y así realizar el análisis de elementos finitos en los mini-implantes con ángulos de inserción de 30°, 60°, 90° y se aplicó una fuerza de retracción ortodóncica simulada de 2 N en cada uno de estos modelos de elementos finitos. Resultados: En cuanto al estrés máximo de von Mises, observamos que parece no haber una diferencia significativa entre los mini-implantes de acero y de titanio en las angulaciones evaluadas. En cuanto al desplazamiento, los mini-implantes de titanio en general sufrieron mayor desplazamiento en las tres angulaciones evaluadas en comparación con los mini implantes de acero inoxidable.

Palabras clave:; mini-implantes; ortodoncia; elementos finitos; tensión; desplazamiento

Comparison of stresses and displacements between

steel and titanium mini-implants inserted with different angles: finite element analysis

ABSTRACT

Objective: The objective of this study was to quantify the tensions and displacements of steel and titanium mini-implants inserted at different angles and under a retraction force. Materials and Methods: A CAD model of the TD Orthodontics mini-implant was created. The material properties (steel or titanium alloy) were then assigned. SolidWorks software was used to mesh the mini-implant and bone models and perform the finite element analysis on the mini-implants inserted at angles of 30°, 60°, and 90° with a simulated orthodontic retraction force of 2 N applied to each of these finite element models. Results: With regards to the maximum von Mises stress, there appears to be no significant difference between the steel and titanium mini-implants at the evaluated angles. In terms of displacement, the titanium mini-implants generally experienced greater displacement at the three evaluated angles compared to the stainless steel mini-implants.

Keywords: mini-implants, orthodontics, finite elements, tension, displacement

INTRODUCCIÓN

En 2021, se celebró el 80 aniversario de la invención del análisis de elementos finitos por el científico ruso-canadiense A. Hrennikof. En las últimas décadas, el análisis de elementos finitos se ha convertido en una herramienta ampliamente utilizada en el campo de la ortodoncia. El análisis de elementos finitos consiste en obtener una solución matemática analítica a un problema de interés, ampliamente delimitado. Para obtener esta solución, la estructura estudiada debe dividirse en un gran número de elementos más pequeños cuyo comportamiento se estudiará individualmente, lo que simplifica el análisis de cada uno, para luego integrar todos los elementos en un solo conjunto a través de puntos nodales. Al analizar el estrés y la deformación de los elementos individuales, se puede conocer su comportamiento mecánico numéricamente (1,2).

Asimismo, los mini-implante ortodónticos se han convertido en elementos fundamentales para llevar a cabo movimientos dentales durante los tratamientos ortodónticos. Esto se debe a que tienen ventajas como proporcionar un anclaje absoluto, se utilizan para períodos de tiempo específicos y cortos, y su retención depende exclusivamente del anclaje mecánico proporcionado por las estructuras óseas circundantes, sin embargo; su efectividad reside principalmente en este último punto, ya que para que su uso sea exitoso deben tener un anclaje suficiente durante el período de tiempo necesario (3). Los factores de riesgo asociados a la falla del anclaje de los mini-implantes son diversos e incluyen tanto características de los mini-implantes como de los pacientes. Con respecto a los factores de riesgo asociados a la falla de los mini-implante, se menciona la longitud, el diámetro y el ángulo de inserción (4,5).

Por lo tanto, el estudio de las tensiones presentes en el cuerpo del mini-implante ortodóncico, así como su distribución en las estructuras óseas circundantes es útil para mejorar el diseño de los mini-implantes, así como los protocolos de colocación y así reducir la tasa de fallos de estos dispositivos después de ser colocados en las bocas de los pacientes. (6,7).

En estudios anteriores se han llevado a cabo análisis de elementos finitos en mini-implante ortodóncicos, sin embargo, constantemente aparecen nuevos mini-implante con características mejoradas y diferentes aleaciones, por lo que es importante conocer el comportamiento de estos dispositivos para mejorar su tasa de éxito en la clínica. (8,9).

Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar cuantitativamente las tensiones y desplazamientos de los mini-implantes de acero y titanio insertados bajo diferentes ángulos y aplicando una fuerza de retractación.

METODOLOGÍA

Se creó un modelo CAD del mini-implante de la marca TD Orthodontics, con un diámetro de 1.3 mm y 8 mm de longitud. Posteriormente, se asignaron las características de los materiales a evaluar (acero o aleación de titanio) (Tabla 1). Se creó una figura tridimensional con dos componentes que simulan el espesor y las características de los huesos cortical y trabecular (2 mm de ancho de hueso cortical y 18 mm de profundidad de hueso trabecular). Se llevó a cabo el ensamblaje de las estructuras de hueso cortical y trabecular, así como el agujero en el que se inserta el mini-implante. Se asignaron densidades específicas de hueso cortical y trabecular de acuerdo a lo reportado por Kuroda et al. (propiedades mecánicas heterogéneas basadas en la densidad de hueso masivo, que a su vez se derivan de la unidad Hounsfield) (10). Se utilizó el software SolidWorks para hacer la malla de los modelos de mini-implante y hueso, y así realizar el análisis de elementos finitos en los mini-implantes con ángulos de inserción de 30°, 60°, 90° y se aplicó una fuerza de retracción ortodóncica simulada de 2 N en cada uno de estos modelos de elementos finitos. Por lo tanto, se generaron seis modelos de elementos finitos y se agruparon como se muestra en la tabla 2.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En cuanto al estrés máximo de von Mises en las diferentes angulaciones evaluadas, podemos observar que parece no haber una diferencia significativa entre los mini-implantes de acero inoxidable y los mini implantes de titanio en las tres angulaciones evaluadas. La angulación en la cual se observa que el mini implante sufre mayor estrés tanto en el grupo de titanio como en el grupo de acero inoxidable es la de 60°. La angulación donde los mini implantes de ambos grupos sufren menor estrés es en la angulación de 90° (Tabla 3). En cuanto al desplazamiento, los mini-implantes de titanio en general sufrieron mayor desplazamiento en las tres angulaciones evaluadas en comparación con los mini implantes de acero inoxidable. La angulación en la cual los mini implantes de ambos grupos sufrieron mayor desplazamiento fue la de 60°, seguida por la angulación de 30° y finalmente la angulación de 90° fue donde los mini-implantes sufrieron menor desplazamiento (Tabla 4). Finalmente, en cuanto a la deformación bajo carga el titanio fue el material que sufrió mayor deformación mientras que el material que sufrió menor deformación fue el hueso trabecular (Tabla 5).

Tabla 1. Propiedades de los materiales usados
Material	Modulo de Young(MPa)	Relación de Poisson (v)
Acero	210.000	0.3
Titanio	110.000	0.35
Hueso cortical	15.000	0.3
Hueso trabecular	1.500	0.3

Tabla 2. Lista de los modelos analizados en el estudio
Grupo	Descripción
1	Mini-implante de acero inoxidable 1.3 × 8 mm con inserción a 30°
2	Mini-implante de acero inoxidable 1.3 × 8 mm con inserción a 60°
3	Mini-implante de acero inoxidable 1.3 × 8 mm con inserción a 90°
4	Mini-implante de titanio 1.3 × 8 mm con inserción a 30°
5	Mini-implante de titanio 1.3 × 8 mm con inserción a 60°
6	Mini-implante de titanio 1.3 × 8 mm con inserción a 90°

Tabla 3. Tensión máxima de von Mises (MPa)
Angulación	Acero	Titanio
30°	30.16 Mpa	30.49 Mpa
60°	50.72 Mpa	49.71 Mpa
90°	20.58 Mpa	20.71 Mpa

Table 4. Desplazamiento de los mini-implantes.
Angulación	Acero	Titanio
30°	0.3344 mm	0.5218 mm
60°	0.4000 mm	0.6214 mm
90°	0.2793 mm	0.3985 mm

El objetivo de este estudio fue evaluar cuantitativamente las tensiones, desplazamientos y deformaciones de los mini-implantes de acero y titanio insertados en diferentes ángulos y aplicando al mismo tiempo una fuerza de retractación de 2 N. Los esfuerzos y deformaciones entre los mini-implantes de acero y titanio no mostraron una diferencia importante, encontrándose valores muy similares entre los dos materiales.

En un estudio del 2019 también se evaluaron mini-implantes de titanio y acero inoxidable en diferentes angulaciones (30°, 45°, 60°, 75° and 90°) aplicando una fuerza torsional de 20 N y una fuerza lineal de 150 g. Al igual que en este estudio, los autores no reportaron diferencias significativas entre el estrés y la deformación generadas en los mini-implantes de titanio y acero inoxidable. A diferencia de nuestros resultados, los autores del estudio encontraron que la mayor cantidad de estrés y deformación se dio en el grupo de 90°, seguido por los grupos de 75° y 60° (11). Machado et al., también reportaron que, la mayor cantidad de tensión se encontró en el grupo de mini-implantes insertados a 90°. Los autores aplicaron una fuerza de 200 g perpendicular al eje largo del mini-tornillo para simular la fuerza de reacción durante la retracción en masa (12). Estas diferencias pueden deberse a las distintas fuerzas usadas, la dirección de la aplicación de la fuerza y los diferentes diseños de mini-implantes usados.

Nuestros resultados parecen coincidir con los de Kuroda et al., estos autores evaluaron la estabilidad de mini-implantes de titanio colocados en tres diferentes angulaciones soportando una fuerza de 2N. Las angulaciones que manejaron los autores fueron de 0, 15, 30 y 45 °. Los autores encontraron que la angulación en la cual los mini-implantes sufrían mayor desplazamiento fue la angulación de 45 ° seguida por la angulación de 30° con una fuerza aplicada hacia debajo de 2 N. En este estudio, encontramos que tanto los mini-implantes de titanio como los de acero sufrieron su mayor deformación en la angulación de 60° y 30°. En cuanto al estrés de von Mises, Kuroda et al., encontraron que el estrés máximo se aproximadamente en los 60 megapascales (MPa) en la angulación de 45° aplicando fuerzas hacia la derecha, a la izquierda y hacia abajo sobre el mini-implante. En este estudio, el estrés máximo de von Mises (aproximadamente 50 MPa) se observó en la angulación de 60° tanto en los mini-implantes de acero como los de titanio aplicando una fuerza de tracción de 2 N (10). En el estudio de Arantes et al., los autores evaluaron a través del análisis de elementos finitos dos diferentes marcas de mini-implantes (SIN [Implant System, São Paulo/SP, Brazil] and RMO [Rocky Mountain Orthodontics, Seoul, South Korea]) de titanio insertados a 45° y 90° y aplicando una fuerza de tracción de 200 gf y una de torción de 20 N.cm. Los autores concluyeron que a mayor ángulo de inclinación los mini-implantes tenían menor resistencia a la deformación; siendo el ángulo de 45° el que generaba mayor deformación. Esto coincide con nuestros resultados en que la deformación se detectó entre los 30° y 60° de angulación (13). Así mismo, Perillo et al., usaron el análisis de elementos finitos para evaluar la colocación de mini-tornillos usando 5 angulaciones diferentes (30°, 60°, 90°, 120° y 150°) y aplicando una fuerza de 2 N. Los autores reportaron que las angulaciones mayores o menores a 90° tienden a generar mayor estrés y por lo tanto ponen en riesgo la estabilidad de los mini-tornillos. Esto concuerda con lo observado en este estudio, ya que la angulación a la cual nosotros observamos menor estrés y desplazamiento fue en la angulación de 90° (14).

Nuestros resultados coinciden con los de Sivamurthy et al., en que los valores de tensión son mayores cuando el mini-implante se inserta en un ángulo de 60° en comparación con un ángulo de inserción de 30°. Es evidente que la distribución de la tensión se concentró en el cuello del mini-implante y el hueso cortical se sometió a mayores tensiones en comparación con el hueso esponjoso. Por lo tanto, mientras se reduce el ángulo de inclinación, la zona de contacto del mini-implante y el hueso cortical aumenta para mejorar la estabilidad de los mini-implantes (15). El estudio de Brar and Dua también reporta que el máximo estrés se observó en los mini-implantes insertados con una angulación de entre 60° y 75° (16).

En el estudio realizado por Marcé-Nogué et al., en donde podemos ver la comparación de 10 micro tornillos de titanio con una carga a 1 N coincidimos en que la influencia del ángulo de inserción genera diferentes cantidades de desplazamiento en la cabeza del tornillo y diferentes valores de tensión en el cuello del micro tornillo; sin embargo, en nuestro estudio utilizamos una fuerza de 2N. Dicho autor nos menciona en su estudio que, en situaciones favorables (suficiente grosor de hueso cortical) el comportamiento de la mayoría de los tornillos fue bastante similar en cuanto a tensión y deformación, pero en situaciones desfavorables (hueso cortical fino) algunos de los micro tornillos tuvieron un mejor comportamiento que otros (17).

De acuerdo a estudios anteriores, se considera que el ángulo de inserción optimo se encuentra entre 30° y 70°. Es inclinación permite que la superficie de contacto entre el mini-implante y el hueso aumente y permita un mejor anclaje (18,19). Por lo tanto, la angulación de inserción de los mini-implantes parece jugar un papel primordial en la cantidad de estrés y deformación generados en los aditamentos usados (20).

Figura 1. (A) Modelo virtual marca TD Orthodontics de 1.5 * 8 mm. (B) Ensamble mini implante- hueso con propiedades correspondientes. Ensamble de los mini-implantes de titanio a 30°, 60° y 90 ° (C,E,G). Ensamble de los mini-implantes de acero a 30°, 60° y 90 ° (D,F,H).

CONCLUSIONES

Independientemente de los ángulos, la diferencia en la tensión generada y la deformación en los mini-implantes de acero inoxidable y los mini-implantes de titanio bajo una fuerza de retracción de 2 N no parece ser significativa.

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