Metallurgical Behavior of Ti-6Al-4V Alloy Mini-Implants as a Temporary Anchorage Device in Orthodontics Applications
Mendoza-Bravo Ivan, Arias-González José Antonio, Villalobos-Vera Doris Ivette, Ruiz-Reyes Héctor
Instituto de Investigaciones Metalúrgicas Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Correo: ivanmendozabravo@gmail.com.
Posgrado de la Facultad de Odontología Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Correo: drjaag@gmail.com.
Instituto de Investigaciones Metalúrgicas Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Correo: villalobosvd@gmail.com.
Posgrado de la Facultad de Odontología Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Correo: ruizreyes2003g@yahoo.com.mx.
]]>Recibido: noviembre de 2011,
Reevaluado: febrero y agosto de 2012,
Aceptado: febrero de 2012
Resumen
El uso de mini implantes como sistema de anclaje temporal en ortodoncia, es una técnica relativamente nueva que permite el movimiento de los dientes de una manera eficiente y predecible. A pesar de que se han empezado a utilizar en diversos países como Alemania, Japón y Corea del Sur, aún existe la necesidad de analizar y dar a conocer las ventajas de este procedimiento sobre los tratamientos tradicionales. En este trabajo se analizó la integridad de mini implantes fabricados de una aleación de titanio tipo Ti-6Al-4V empleados temporalmente por 4 meses en tres pacientes como anclaje ortodóncico. Los mini implantes se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido para determinar cambios superficiales, microestructurales y su interacción con el tejido humano. Los resultados mostraron la presencia de desgaste en la zona de la rosca causado durante la inserción al hueso maxilar y la adherencia de tejido orgánico en dos de los mini implantes.
Descriptores: mini-implante, aleación de titanio, ortodoncia, análisis metalúrgico, anclaje temporal.
Abstract
]]> The application of mini implants as a temporary anchorage device in orthodontics is a new technique that allows the movement of teeth in an efficient and predictable way. Although they have started to be used in Germany, Japan and South Korea, there is still the need to analyze and diffuse the advantages this procedure can offer over the traditional techniques. The objective of this research work was to analyze the integrity of Ti-6Al-4V mini implants temporary employed for 4 months on three patients as an anchorage device. The mini implants were analyzed by means of electron scanning microscopy in order to determine superficial and microstructural changes as well as the interaction with human tissue. Results showed the presence of wear on the thread zone caused during the insertion into the maxilar bone. The adherence of organic tissue was also observed on two mini impplants.Keywords: mini implant, titanium alloy, orthodontics, metallurgical analysis, temporary anchorage device.
Introducción
En 1900, Angle propuso realizar el movimiento de dientes mediante la aplicación de fuerzas para hacerlos cambiar de posición utilizando otro diente como anclaje (Angle, 1900). Sin embargo, el diente de anclaje, experimentaba una fuerza de la misma magnitud, pero en dirección opuesta, promoviendo movimientos indeseables de otros dientes. Eventualmente, este problema llevó al desarrollo de una técnica de anclaje esqueletal en 1945 por Gainsforth y Higley en sus primeros experimentos utilizando tornillos y la cual fue revisada posteriormente por Creekmore y Eklund en 1983; Roberts et al., 1990 y Turley et al, 1998, demostrando que los dientes podían ser movidos sin causar efectos secundarios en otro grupo de dientes utilizando un implante anclado en el hueso de la mandíbula (Ludwig et al., 2008, Lee et al, 2007).
A partir de este nuevo concepto, se originaron diversos desarrollos como el uso de implantes osteointegrables (Ödman et al., 1988; Roberts et al, 1990; Triaca et al., 1992; Wehrbein et al., 1996), mini-placas (Jenner y Fitepatrick, 1985; Umemori et al., 1999) y on-plants (Block y Hoffman, 1995) para movimiento ortodóncico (Favero et al., 2007). Desafortunadamente, algunos requerían una osteointegración antes de que la fuerza ortodóncica pudiera aplicarse, su costo era elevado, no podían colocarse en cualquier área de la boca y, para la mayoría, la implantación y remoción eran complejas. Por estas razones, en 1997, Kanomi propuso la utilización de tornillos quirúrgicos de titanio1 como anclaje temporal para movimientos ortodóncicos (Kanomi 1997), con lo cual, se eliminaban los problemas de los sistemas tradicionales y, algo muy importante, era tolerable para los pacientes.
Gracias a las ventajas que ofrecen los mini implantes, desde el año 2003 se ha observado un incremento en artículos científicos sobre su aplicación (Lee et al., 2007). Sin embargo, el verdadero impacto tanto científico como tecnológico, se basa en la aceptación social de esta nueva técnica de ortodoncia. El propósito de este artículo, es presentar y evaluar el comportamiento de mini implantes de Ti-6Al-4V como anclaje temporal para movimiento ortodóncico después de haber sido empleados en pacientes.
Materiales y métodos
Caso clínico
]]> Se seleccionaron 3 pacientes en un rango de edad de 18 a 23 años, dos de sexo masculino y uno de sexo femenino. Los tres presentaban el caso de mordida profunda anterior tal como se ilustra en la figura 1. Por esta razón, uno de los principales objetivos fue instruir el segmento anterior para mejorar la relación de los contactos dentales (nivelación del plano oclusal).
Además de que los TAD's son empleados para mejorar el anclaje y producir un movimiento de dientes controlado, también reduce significativamente el tiempo de tratamiento ortodóncico. En el caso de los tres pacientes, se estima que el tiempo de tratamiento mediante técnicas tradicionales se realizaría entre 32 y 40 semanas. Para comparar los tiempos de tratamiento con las técnicas tradicionales, se utilizaron mini tornillos fabricados con la aleación Ti-6Al-4V (grado 5) con las siguientes dimensiones: una cabeza con longitud de 2.3 mm y 2.3 mm de diámetro, canal de anclaje en forma de cruz con una profundidad de 1.15 mm para ser utilizado como un bracket convencional. El cuello cónico para el área de la encía (mucotomía) tiene una longitud de 2.3 mm y un diámetro máximo de 2.8 mm. La rosca tiene una longitud de 6 mm y un diámetro de 1.6 mm tal como se muestra en la figura 2.
La colocación de los pins en cada paciente se realizó ubicándolos entre los dientes incisivo central y lateral en ambos lados de la arcada como se muestra en la figura 3. Para la inserción, se aplicó una anestesia tópica en la encía del paciente para disminuir las molestias y posteriormente se introdujo el pin con un desarmador diseñado por el fabricante para dar un torque determinado.
Inmediatamente después de haber sido implantados, los mini implantes se sometieron a una carga de 0.73N (75 grf) y se mantuvieron en los pacientes hasta cumplir con los objetivos planteados. Al finalizar el tratamiento, se retiraron los mini implantes y se enjuagaron con agua destilada y alcohol para eliminar residuos de fluidos bucales. Posteriormente se almacenaron en frascos estériles y se identificaron con el número del paciente y las referencias (I) y (D) para indicar la ubicación del mini implante. Por ejemplo, 1-I corresponde al paciente 1, mini implante insertado en el lado izquierdo de la arcada.
]]> Análisis metalúrgicoLos cambios superficiales y microestructurales de los mini tornillos se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), para lo cual, se montaron en baquelita conductiva a lo largo de su sección longitudinal para facilitar su manipulación. Posteriormente, las muestras fueron desbastadas empleando diferentes grados de papel abrasivo de carburo de silicio (240800), seguido de un pulido fino con sílica coloidal para obtener una superficie con acabado espejo. La microestructura de cada mini implante se reveló mediante la inmersión de las muestras en un reactivo químico conocido en la literatura como "Remington A", que consiste en una mezcla de ácido nítrico, ácido fluorhídrico y glicerina. Para obtener la composición química en cada mini implante se utilizó la técnica espectroscopía de energía dispersiva (EDS). Adicionalmente, se realizó la medición del peso empleando una balanza analítica y se comparó con un mini implante en su condición al recibirlo (CR).
Resultados y discusión
Caso clínico
Durante el tratamiento, el paciente 1 presentó problemas de movilidad excesiva en la semana 3 con el mini tornillo izquierdo, por lo que fue necesario extraerlo y sustituirlo. Esto puede atribuirse a una estabilidad primaria inadecuada, trauma quirúrgico excesivo o a condiciones desfavorables de curación que causan irritación en los tejidos adyacentes al mini implante (Lee, 2007). Otro caso de movilidad parcial se presentó en el paciente 2 en la semana 13, por lo que sólo fue necesario ajustar el torque para recobrar la sujeción en el hueso.
Después de 16 semanas de tratamiento se alcanzó la nivelación del plano oclusal en los tres pacientes (figura 4) sin tener reporte de molestias y demostrando que el uso de mini tornillos como anclajes temporales ayuda a reducir aproximadamente 60% del tiempo de tratamiento en comparación a los procedimientos convencionales.
Análisis superficial
]]> El análisis superficial del mini implante en su condición de recibido muestra la morfología de la cabeza, área de encía, rosca y punta activa, en donde se aprecia el acabado superficial libre de poros o fisuras que pudiesen comprometer su integridad (figura 5), contrario a los mini implantes utilizados, los cuales mostraron cambios como la pérdida de brillo y acabado superficial. La carga de tensión a la que estuvieron sometidos los mini implantes fue de 0.73 N (75grf), por lo que no se produjo deformación plástica debido a que el esfuerzo generado en la sección transversal de la rosca (diámetro menor) es 650 * 103 Pa, menor al límite elástico de la aleación Ti-6Al-4V que es 880 * 106 Pa.
Sin embargo, se observó un desgaste en la zona de la rosca causado durante la inserción (figura 6), zona en donde se experimenta un esfuerzo cortante a medida que el mini implante penetra el hueso maxilar hasta quedar totalmente fijo. El desgaste presente en cada mini implante, indica que no pueden volver a utilizarse.
La figura 7 ilustra a detalle la superficie de los mini implantes 3-D, 2-I y 2-D, mostrando la formación de integumento en la zona de la rosca (7a, 7c) y la presencia de partículas de hueso en la zona de la punta activa (7b, 7d). Los microanálisis realizados en el integumento mostraron la presencia de hierro y calcio, posiblemente por el contacto con fluidos biológicos como sangre. Por otra parte, el microanálisis realizado en la partícula de hueso, mostró la presencia de calcio y cloro (figura 8), implicando que realmente se trata de una partícula de hueso adherida a la rosca del mini implante posiblemente como resultado del inicio de una osteointegración selectiva. A pesar de que la técnica EDS permite obtener una composición química aproximada, se debe tomar en cuenta que el integumento y la osteointegración selectiva se forman en función del tiempo, lo que excluye la probabilidad de que se hayan adherido a los mini implantes durante la remoción. Debido a que la superficie de los mini implantes utilizados era completamente pulida, no se esperaba encontrar el indicio de una osteointegración selectiva o integumento, ya que esto dificultaría la remoción de los mini implantes, ocasionando molestias al paciente y convirtiéndose en un sistema de anclaje no temporal.
Análisis microestructural
]]> La microestructura de los mini implantes en su condición de recibido consta de una matriz alfa con precipitados de fase beta dispersados aleatoriamente (figura 9) al igual que los mini implantes utilizados, correspondiente a una aleación alfa-beta (ASM International, Properties and Selection: Nonferrous alloys and special-purpose materials, 2005). El análisis químico mediante EDS demostró que no existe variación en las diferentes secciones de los mini implantes. La figura 10 presenta el espectro y el análisis cuantitativo de Ti, Al, V.
El peso de los mini implantes utilizados resultó ser mayor comparado al mini implante en su condición de recibido (tabla 1). Esto se atribuye a la presencia de integumento y hueso presentes a la rosca de los mini implantes que se caracterizaron antes, además de los residuos orgánicos adheridos a la cabeza de los mini implantes, lo que se puede atribuir a la falta de higiene del paciente (figura 11).
Conclusiones
]]> Se demostró que el sistema de anclaje temporal mediante el uso de mini implantes reduce 60% el tiempo de tratamiento ortodóncico en comparación a los sistemas de anclaje tradicionales.La punta autorroscable no presentó desgaste significativo ni la presencia de poros o defectos que pudieran comprometer su integridad.
Se observó la presencia de integumento y una posible osteointegración selectiva en dos de los mini implantes utilizados.
No se observó cambio alguno microestructural en los mini implantes, indicando que la carga aplicada durante el tratamiento, no fue suficiente para promover deformación plástica.
Referencias
Angle-E.H. Malocclusion of the Teeth and Fractures of the Maxillae, White Dental, 1900. [ Links ]
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]]>Creekmore T.D. y Eklund M.K. The Possibility of Skeletal Anchorage. Journal of Clinical Orthodontics, volumen 17 (número 4), 1983: 266-269. [ Links ]
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Semblanza de los autores
]]> Ivan Mendoza-Bravo. Graduado como ingeniero mecánico por el Instituto Tecnológico de Veracruz en 2003. Obtuvo los grados de maestría y doctorado en metalurgia y ciencias de los materiales en el Instituto de Investigaciones Metalúrgicas de la UM-SNH en el año 2006 y 2011, respectivamente. Ha colaborado en diferentes proyectos en conjunto con el Instituto Mexicano del Petróleo y el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. Actualmente realiza una estancia posdoctoral en la "The Ohio State University".José Antonio Arias-González. Cirujano dentista egresado de La Universidad Autónoma de Guadalajara y de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Obtuvo la especialidad en ortodoncia en la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Actualmente asiste al curso continuado de ortodoncia Filofía FACE Roth Williams y ejerce la ortodoncia en práctica privada.
Doris Ivette Villalobos-Vera. Ingeniero industrial egresada del Instituto Tecnológico de Minatitlán. Obtuvo los grados de maestría y doctorado en metalurgia y ciencias de los materiales en el Instituto de Investigaciones Metalúrgicas de la UMSNH en el año 2006 y 2011, respectivamente. Ha colaborado en diferentes proyectos en conjunto con el Instituto Mexicano del Petróleo y el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. Actualmente realiza una estancia posdoctoral en la "The Ohio State University".
Hector Ruiz-Reyes. Profesor investigador del Centro Universitario de Estudios de Posgrado e Investigación de la Facultad de Odontología de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
1 También conocidos como mini tornillos, mini implantes, pins o TAD (Temporary Anchorage Device).
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