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Journal of Orofacial Orthopedics Fortschritte der Kieferorthopädie

Original Article

Root Resorptions in Upper First Premolars after Application of Continuous Torque Moment Intra-Individual Study

Wurzelresorptionen an oberen ersten Prämolaren nach Applikation eines kontinuierlichen Torquemoments Intraindividuelle Studie Maurício A. Casa1, Rolf M. Faltin 1, 2, Kurt Faltin2, Franz-Günter Sander3, Victor E. Arana-Chavez1

Abstract Material and Method: With the purpose of investigating the occurrence, localization and extension of possible root resorptions after fixed appliance treatment with a continuous torque force, 28 upper first premolars orthodontically indicated for extraction from 14 patients were analyzed by scanning electron microscopy. Tooth movement was carried out with continuous moments of different magnitudes (300 cNmm, and 600 cNmm), using a biomechanical model with superelastic wires (stainless steel-NiTi-SE), which was specially designed and individually calibrated. The teeth were divided into one control group with four premolars (non-moved) from two patients, and two experimental groups (300 cNmm and 600 cNmm respectively) with six patients each. Each group was distributed intra-individually as follows: the right first premolar of six patients was extracted after 1 week of movement, the left first premolars were removed after 2, 3 and 4 weeks. After extraction, teeth were fixed, treated with 2% sodium hypochlorite solution for 6 hours in order to remove the organic tissue components, dehydrated, and metalcoated in a Balzers SCD 050 apparatus. Results: The analysis in a scanning electron microscope (Jeol 6100, at 10–15 kV) revealed many resorption lacunae in the root surface, mainly on the lingual side in the apical third of the roots. Resorption processes were also observed on the buccal root surface in the cervical third. All experimental teeth showed resorp-

Zusammenfassung Material und Methode: 28 erste obere Prämolaren von 14 Patienten, die aus kieferorthopädischen Gründen zur Extraktion vorgesehen waren, wurden rasterelektronenmikroskopisch untersucht, um die Präsenz, die Lage und die Ausdehnung möglicher Wurzelresorptionen während kontinuierlichem Torque zu untersuchen. Das kontinuierliche Moment unterschiedlicher Größe (300 cNmm und 600 cNmm) wurde durchgeführt mit Hilfe einer biomechanischen Apparatur mit superelastischen Drähten (NiTi-SE-Stahl), die individuell entwickelt und kalibriert war. Es erfolgte eine Einteilung der Zähne in eine Kontrollgruppe mit vier Prämolaren (nicht bewegt) von zwei Patienten und zwei experimentelle Gruppen (300 cNmm und 600 cNmm) von jeweils sechs Patienten. Jede Gruppe wurde intraindividuell wie folgt eingeteilt: Die ersten rechten Prämolaren von sechs Patienten wurden, nachdem sie 1 Woche bewegt wurden, extrahiert, die ersten linken Prämolaren wurde jeweils nach 2, 3 und 4 Wochen extrahiert. Nach der Extraktion wurden die Zähne für 6 Stunden in 2% Natriumhypochloritlösung gelegt, um die organischen Teile zu entfernen. Es erfolgte die Trocknung und Metallbeschichtung im Balzers-SCD-050-Gerät. Ergebnisse: Die Untersuchung mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigte viele Konkavitäten (Resorptionslakunen), die sich hauptsächlich auf der lingualen Fläche des apikalen Wurzeldrittels befanden. Diese fanden sich auch auf der bukkalen Fläche

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Department of Histology and Embryology, Institute of Biomedical Sciences, University of São Paulo, Brazil, 2 Department of Orthodontics, Paulista University, São Paulo, Brazil, 3 Department of Orthodontics, University of Ulm, Germany.

This study was supported by a grant from the Research Support Foundation of the State of São Paulo (FAPESP, grant # 98/10456-0) and by CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológica) of Brazil. Received: May 29, 2000; accepted: December 15, 2000 Dedicated to Professor Dr. Dr. G.P.F. Schmuth on the occasion of his 75th birthday.

J Orofac Orthop/Fortschr Kieferorthop 2001 · No. 4 © Urban & Vogel

J Orofac Orthop/Fortschr Kieferorthop 2001;62:285–95 DOI 10.1007/s00056-001-0034-9

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Casa MA, et al. Root Resorption and Continuous Torque

tion areas. Teeth which had been moved for a longer time period and with a higher magnitude of applied moments showed a higher degree of root resorption in width as well as in depth. Higher magnitude of moments produced exposure of root dentine, evidencing pronounced root resorption.

des zervikalen Drittels. Alle bewegten Zähne wiesen resorptive Bereiche auf. Zähne, die über einen längeren Zeitraum mit größeren Momenten bewegt worden waren, zeigten stärkere Resorptionen in Breite und Tiefe. Größere Momente erzeugten eine Freilegung des Dentins und ausgeprägte Wurzelresorptionen.

Key Words: Torque . Root resorption . Tooth movement . Orthodontic therapy . Scanning electron microscopy

Schlüsselwörter: Torque . Wurzelresorption . Zahnbewegung . Kieferorthopädische Behandlung . Rasterelektronenmikroskopie

Introduction Root resorption is one of the undesirable side-effects during orthodontic tooth movement. In addition to many biological conditions (individual reaction, hereditary factors, metabolic response, tissue aging, for example), mechanical factors like the orthodontic appliance itself may also be responsible for this reaction [6]. Under this aspect, many variables such as magnitude, type and duration of the applied force may act as causative factors. In recent years, new orthodontic materials have been developed; these include superelastic wires (nickel-titanium [NiTi] alloy) capable of exerting a continuous force [7]. They show a higher springback capacity and a higher amount of stored energy or resilience than stainless steel wires [2, 8]. However, our knowledge of the effects of tooth movements with superelastic wires (continuous force) on the human periodontal tissues is still sparse. Torque may be defined as rotation as the wire must be twisted before being engaged into the bracket slot to generate a biomechanical moment. Torque moment is probably one of the most important and potent forces of the edgewise arch mechanism and may therefore be an immediate cause of external apical root resorption [18, 20]. The root’s apical areas and their alveolar crest zones are the regions suffering the greatest stress when this kind of movement is performed [19]. Modern orthodontic bracket slots often have incorporated torque angulation, reducing the need to place a torque in the archwire [14]. A torque moment is always applied during orthodontic treatment; it is achieved either by using bracket slots with incorporated torque angulation or by twisting a rectangular archwire. Moreover, even in cases treated with pre-adjusted brackets, some additional torque placed in the archwire is occasionally required for a stable treatment outcome. Torque adjustments in either the bracket or the archwire have not yet been fully investigated [23]. In recent years, some apparatuses designed for measuring and studying torque moments have been developed [5, 9, 11, 14, 15, 22]. Three-dimensional finite element models or physical-mathematical calculi have been applied on a torque model, allowing the stress distribution in a biological system (tooth – periodontal tissue – bone) to be studied [13, 19].

Einleitung Die Wurzelresorption ist einer der unerwünschten Effekte während der kieferorthopädischen Zahnbewegung. Neben vielen biologisch bedingten Faktoren (z.B. individuell, erblich, metabolisch, altersbedingt) können auch mechanische Faktoren, wie die kieferorthopädische Apparatur, für diese Reaktion verantwortlich sein [6]. In diesem Zusammenhang können viele Variablen, wie Größe, Art und Dauer der angewandten Kraft, daran beteiligt sein. In den letzten Jahren wurden neue kieferorthopädische Materialien entwickelt, besonders die superelastischen Drähte (Nickel-Titan-[NiTi-]Legierung), die in der Lage sind, eine kontinuierliche Kraft auszuüben [7]. Sie weisen eine günstigere Rückstellung und eine größere gespeicherte Energie oder Elastizität als Stainless-SteelDrähte auf [2, 8]. Jedoch sind die Effekte der Zahnbewegung auf das menschliche Parodontalgewebe bei Anwendung superelastischer Drähte (kontinuierliche Kraft) noch nicht genau untersucht. Torque kann als Rotation definiert werden, bei der der Draht so verdrillt wird, dass er in den Bracketslot passt und ein biomechanisches Moment erzeugt. Das Torquemoment ist wahrscheinlich eine der wichtigsten Aufgaben der Edgewise-Bogen-Technik. Nicht selten werden anschließend apikale Wurzelresorptionen prognostiziert [18, 20]. Die Wurzelspitze und die Alveolarrandzonen sind die Bereiche, die unter der größten Spannung stehen, wenn diese Art von Bewegungen ausgeführt wird [19]. Moderne kieferorthopädische Bracketslots beinhalten einen eingebauten Torque, der das Moment auf den Zahn überträgt [14]. Ein Torquemoment wird während der kieferorthopädischen Behandlung immer angewandt, auch wenn die Bracketslots keinen Torque beinhalten oder wenn der Torque durch Verdrillen des Bogens ausgeführt wird. Darüber hinaus wird zusätzlich Torque manchmal sogar angewandt, um ein stabileres Ergebnis der Behandlung bei vorjustierten Brackets zu erzielen. Torqueeinstellungen im Bracket oder im Bogen sind bisher nicht vollständig untersucht worden [23]. Kürzlich wurden einige neue Apparate entwickelt, um Torquemomente zu messen und zu untersuchen [5, 9, 11, 14, 15, 22].

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Casa MA, et al. Wurzelresorptionen und kontinuierlicher Torque

Table 1. Distribution of patient groups. Period

Control

Torque magnitude

(left/right)

Control

2 patients

1 week (right) 1 week (right) 1 week (right) / / / (left) 2 weeks (left) 3 weeks (left) 4 weeks

300 cNmm

2 patients

2 patients

2 patients

600 cNmm

2 patients

2 patients

2 patients

This scanning electron microscopic investigation was aimed at detecting and localizing possible root resorption areas, using two different magnitudes (300 cNmm and 600 cNmm) of continuous torque moments applied for different time periods (1–4 weeks). Materials and Methods Experimental Groups and Patients In the present study 28 upper first premolars were investigated. All teeth were periodontally healthy, with a normal and complete development of the root. Teeth indicated for extraction for orthodontic reasons from nine female and five male patients with a mean age of 13.8 years (min. 12.0 years, max. 16.4 years) were experimentally moved with a continuous moment force and subsequently extracted. The teeth, which were divided into three groups (controls, group moved with 300 cNmm, and group moved with 600 cNmm), were moved for 1–4 weeks and distributed as shown in Table 1. The patients were informed about all procedures to be carried out during this study and their parents’ written consent was obtained. All adolescents remained in the study until the end of the planned orthodontic treatment. This investigation was authorized by the Medical Ethics Committee of the University of Sao Paulo, Brazil.

Tabelle 1. Einteilung der Patientengruppen.

Ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell wurde auf ein Torquemodell übertragen, um die Spannungsverteilung in einem biologischen System zu untersuchen (Zahn – Parodontium – Knochen) [13, 19]. Die vorliegende rasterelektronenmikroskopische Studie hatte die Feststellung und Lokalisation von Wurzelresorptionsbereichen zum Ziel, wobei kontinuierlicher Torque unterschiedlicher Größe (300 cNmm und 600 cNmm) über unterschiedliche Zeitspannen (1–4 Wochen) angewandt wurde. Material und Methode Experimentelle Gruppe und Patienten In der vorliegenden Studie wurden 28 obere erste Prämolaren untersucht. Alle Zähne waren parodontal gesund, normal ausgebildet und mit abgeschlossenem Wachstum. Die Zähne, die aus kieferorthopädischen Gründen zur Extraktion vorgesehen waren, stammten von neun weiblichen und fünf männlichen Patienten mit einem Durchschnittsalter von 13,8 Jahren (min. 12,0 Jahre, max. 16,4 Jahre). Die Zähne wurden experimentell mit kontinuierlichen Momenten bewegt und anschließend extrahiert. Es erfolgte eine Einteilung der Zähne in drei Gruppen. Die Zähne wurden über einen Zeitraum von 1–4

Figure 1. Intraoral view of inserted and activated stainless steel (SS)NiTi-SE (NT) spring for continuous moment application.

Figure 2. Moment/deflection diagram of applied springs for experimental torque movements.

Abbildung 1. Eingesetze und aktivierte NiTi-SE-Stahl-Feder für die kontinuierliche Momentapplikation.

Abbildung 2. Moment-Torsions-Diagramm der angewandten Federn für die experimentellen Torquebewegungen.


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Biomechanics We utilized a precise biomechanical model (Figure 1) with superelastic wires (NiTi-SE-stainless steel springs), which was developed and individually calibrated at the University of Ulm, Germany, and generated continuous moments (Figure 2) because of the wire’s special properties. The desired moment (300 cNmm or 600 cNmm) was adjusted by thermal treatment of the NiTi portion [26]. The biomechanical model had a stainless steel segment (0.017 0.022) which was fixed in the molar attachment. This sectional wire was connected by a crimped connection [27] to the superelastic segment (0.016 0.022, NiTi-SE Titanol) that was inserted into the premolar bracket. Spring activation was achieved by twisting the superelastic segment when it was inserted into the premolar bracket slot. The pre-adjusted effective torque (angulation) was 45°, which ensured the desired magnitude of moment. The molars were anchored either with a Nance appliance or with transpalatal arches. Processing for Scanning Electron Microscopy After extraction, the teeth were fixed in a solution containing 2.5% formaldehyde (freshly prepared from paraformaldehyde) and 2% glutaraldehyde in 0.1 M cacodylate buffer (pH 7.4) for 6 hours at room temperature and left overnight at 4 °C [3]. The roots were then separated from the crowns by means of diamond discs and treated with 2% sodium hypochlorite solution for 30 minutes in a Branson 1210 ultrasonic apparatus (Branson Ultrasonic Corporation, Danbury, CT, USA) in order to remove the non-mineralized organic components. The teeth were subsequently dehydrated in crescent series of ethanol, air-dried and mounted on aluminum stubs. After sputtering with a 40 nm layer of gold in a Balzers SCD 050 apparatus (Bal-Tec AG, Principality of Liechtenstein), the root surfaces were examined in a Jeol 6100 scanning electron microscope (Jeol LTD, Tokyo, Japan), at 10–15 kV. Results Control Group The dental roots in the control group revealed a mineralized cementum surface with normal appearance, i.e., the roots displayed no signs of resorption (Figure 3a). In the cervical thirds of the roots, short mineralized portions of Sharpey’s fibers covering an acellular cementum were observed. Due to the removal of the organic non-mineralized tissues (precementum and periodontal ligament), central depressions were recognized in the Sharpey’s fibers (Figure 3b). Higher magnification of the cellular cementum present in the apical and medial root thirds showed a surface pattern with irregular depressions. In these regions, parts of cementoblasts would have been found in vivo (Figure 3c).

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Wochen bewegt und eingeteilt, wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Patienten wurden über das gesamte Vorgehen in dieser Studie aufgeklärt, und es lag ihre schriftliche Zustimmung vor. Die Patienten blieben bis zum Ende der geplanten kieferorthopädischen Behandlung in der Studie. Diese Studie wurde von der Ethikkommission der Universität von Sao Paulo, Brasilien, genehmigt. Biomechanik Wir verwendeten ein präzises biomechanisches Element (Abbildung 1) mit superelastischen Drähten (NiTi-SEStahl-Federn), das an der Universität Ulm individuell entwickelt und kalibriert wurde. Diese Bögen (NiTi-SEStahl) erzeugen aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften kontinuierliche Torquemomente (Abbildung 2). Das erwünschte Moment (300 cNmm oder 600 cNmm) wurde durch Wärmebehandlung des NiTi-Teils eingestellt [26]. Das biomechanische Element besteht aus einem Stahlsegment (0,017 0,022), das im Molarenattachment befestigt wurde, und einem superelastischen Segment (0,016 0,022, NiTi-SE-Titanol), das im Prämolarenbracket befestigt wurde. Verbunden wurden diese beiden Segmente über eine Klemmverbindung [27]. Die Aktivierung der Feder erfolgte durch Verdrillen des superelastischen Segments beim Einsetzen in das Prämolarenbracket. Die Torquevoraktivierung wurde auf 45° eingestellt, um die gewünschte Momentgröße zu erhalten. Die Verankerung der Molaren erfolgte entweder mit einer Nance-Apparatur oder mit Transpalatinalbögen. Histologische Aufarbeitung Nach der Extraktion wurden die Zähne in eine Lösung, die 2,5% Formaldehyd (frisch aufbereitet aus Paraformaldehyd) und 2% Glutaraldehyd im 0,1-M-Cacodilatpuffer (pH 7,4) enthielt, für 6 Stunden bei Raumtemperatur und danach bei 4 °C über Nacht eingelegt [3]. Dann wurden die Wurzeln mit Diamantscheiben von den Kronen getrennt und für 30 Minuten mit einer 2%igen Natriumhypochloritlösung in einem Branson-1210-Ultraschallgerät (Branson Ultrasonic Corporation, Danbury, CT, USA) behandelt, um die nicht mineralisierten organischen Bestandteile zu entfernen. Danach wurden sie in einer zunehmenden Konzentration von Äthanol dehydriert, getrocknet und auf Aluminiumprobetellern befestigt. Nach Bedampfung mit einer Goldschicht von 40 nm im BalzersSCD-050-Apparat (Bal-Tec AG, Fürstentum Liechtenstein), wurden die Wurzeloberflächen in einem Jeol-6100Rasterelektronenmikroskop (Jeol LTD, Tokyo, Japan), bei 10–15 kV untersucht.



Figure 4. Group with continuous torque activation of 3 Nmm (after a 2week period). Scanning electron micrograph showing an apical view of the roots, and a cementum surface with no alterations (F: apical foramen; 9). Abbildung 4. Gruppe mit kontinuierlicher Torqueapplikation von 3 Nmm, 2 Wochen Aktivierung. Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die apikale Ansicht der Wurzeln, bei der die Zementoberfläche ohne Veränderung beobachtet werden kann (F: apikales Foramen; 9).

Figures 3a to 3c. Non-moved teeth (control group). – a) Scanning electron micrograph showing the root surface displaying its normal pattern (F: apical foramen; 11). – b) Higher magnification of a cementum portion in the cervical root third (S: Sharpey’s fibers: 1,300). – c) A cementum portion in the apical root third with no signs of resorption ( 157). Abbildungen 3a bis 3c. Kontrollgruppe (nicht bewegte Zähne). – a) Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die Wurzeloberfläche mit normalem Muster (F: apikales Foramen; 11). – b) Stärkere Vergrößerung eines Teils des Zements im zervikalen Drittel (S: SharpeyFasern; 1300). – c) Teil des Zements im apikalen Drittel, in dem keine Resorption beobachtet wird ( 157).

Group with Continuous Moment Application of 300 cNmm After 1 and 2 weeks of experimental tooth movement (Figures 4a and 4b), the roots in this group showed no clear-cut resorption areas. In teeth moved for 3 (Figures 5a and 5b) and 4 (Figures 6a and 6b) weeks, in contrast, numerous concavities corresponding to Howship’s lacunae were observed in the apical thirds in the pressure zone (lingual surface). However, the contour of the roots was not substantially altered. The resorption lacunae were found mainly close to the apical foramina. In the bucco-


Ergebnisse Kontrollgruppe Die Zähne der Kontrollgruppe zeigten eine mineralisierte Oberfläche des Zements von normaler Form, z.B. zeigten die Wurzeln keine Zeichen von Resorptionen (Abbildung 3a). Im zervikalen Drittel der Wurzeln, in denen azellulärer Zement auftrat, konnten kurze mineralisierte Anteile der Sharpey-Fasern beobachtet werden. Wegen der Entfernung der organischen nicht mineralisierten Gewebe (Präzement und Parodontium) waren zentrale Vertiefungen in den Sharpey’schen Fasern erkennbar (Abbildung 3b). Eine stärkere Vergrößerung des zellulären Zements, der sich im apikalen und mittleren Drittel der Wurzel befindet, zeigte ein Oberflächenmuster mit unregelmäßigen Vertiefungen. In diesen Bereichen befanden sich in vivo Teile von Zementoblasten (Abbildung 3c). Gruppe mit kontinuierlicher Momentapplikation von 300 cNmm Die Wurzeln dieser Gruppe zeigten nach 1 Woche und nach 2 Wochen (Abbildung 4) keine resorptiven Bereiche. Dagegen konnten bei Zähnen, die 3 (Abbildungen 5a und 5b) und 4 Wochen (Abbildungen 6a und 6b) bewegt wurden, zahlreiche Lakunen, die den Howship-Lakunen entsprechen, in den apikalen Dritteln auf der Druckseite (linguale Fläche) gefunden werden. Jedoch wurde die Kontur der Wurzeln nicht wesentlich verändert. Die Resorptionslakunen wurden hauptsächlich in der Nähe des apikalen Foramens gefunden. Einige Resorptionslakunen

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Figures 5a and 5b. Group with continuous torque application of 3 Nmm (after a 3-week period). – a) Scanning electron micrograph showing the apical third of the root exhibiting resorption areas (R) on the lingual surface ( 20). – b) Higher magnification of a resorption process extending into the dentinal tubules (arrowheads) ( 900). Abbildungen 5a und 5b. Gruppe mit kontinuierlicher Torqueapplikation von 3 Nmm, 3 Wochen Aktivierung. – a) Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt das apikale Drittel der Wurzel mit resorptiven Bereichen (R) auf der lingualen Fläche ( 20). – b) Stärkere Vergrößerung eines resorptiven Bereichs, der bis in die Dentinkanälchen hineinreicht (Pfeile) ( 900).

cervical root thirds i.e. in the pressure zone of the buccal surface, some resorption lacunae were also detected. The resorption lacunae did not extend into the underlying dentine, not even in the apical thirds of the root where the resorbed areas were more frequent and more extensive. No resorption processes were identified in tension zones (apical third of buccal root surface and cervical third of lingual surface). The root surfaces in these areas were characterized by many depressions of the cementoblasts.

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Figures 6a and 6b. Group with continuous torque application of 3 Nmm (after a 4-week period). – a) Scanning electron micrographs showing some resorption areas (R) in the apical third of the lingual surface ( 25). – b) Higher magnification of a resorption lacuna, showing the peritubular dentine wall of dentinal tubules appearing in longitudinal view (arrowheads) ( 860). Abbildungen 6a und 6b. Gruppe mit kontinuierlicher Torqueapplikation von 3 Nmm, 4 Wochen Aktivierung. – a) Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt einige resorptive Bereiche (R) auf der lingualen Fläche des apikalen Drittels ( 25). – b) Stärkere Vergrößerung einer Resorptionslakune, die die peritubuläre Dentinwand der Dentinkanälchen in Längsansicht zeigt (Pfeile) ( 860).

konnten auch im zervikalen Drittel auf der Druckseite (bukkale Fläche) festgestellt werden. Die Resorptionslakunen erreichten nicht die Dentinschicht, auch nicht in den apikalen Dritteln, in denen die resorptiven Bereiche zahlreicher und ausgedehnter auftraten. Auf der Spannungsseite (bukkale Fläche des apikalen Drittels und linguale Fläche des zervikalen Drittels) konnte keine Resorption ausgemacht werden. Diese Wurzeloberflächen waren durch viele Vertiefungen der Zementoblasten charakterisiert.



Figures 7a and 7b. Group with continuous torque application of 6 Nmm (after a 1-week period). – a) Scanning electron micrograph showing the apical portion of the root in which two resorption areas (R) surrounded by unaltered cementum (C) are detectable (F: apical foramen; 31). – b) Magnified detail from a), showing a resorption area (R) containing many lacunae (C: normal cementum; F: apical foramen; 155).

Figures 8a and 8b. Group with continuous torque application of 6 Nmm (after a 2-week period). – a) Scanning electron micrograph of the apical area of the two premolar roots with resorption areas (R) on both lingual surfaces (L) (BR: buccal root; LR: lingual root; 3 18). – b) View showing the cervical portion of the buccal root surface in which a resorption area is detectable (R) (3 40).

Abbildungen 7a und 7b. Gruppe mit kontinuierlicher Torqueapplikation von 6 Nmm, 1 Woche Aktivierung. – a) Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt den apikalen Teil der Wurzel, in dem zwei resorptive Bereiche (R) ohne Veränderung des Zements (C) zu sehen sind (F: apikales Foramen; 31). – b) Stärkere Vergrößerung von a), die einen resorptiven Bereich (R) mit vielen Lakunen zeigt (C: normaler Zement; F: apikales Foramen; 155).

Abbildungen 8a und 8b. Gruppe mit kontinuierlicher Torqueapplikation von 6 Nmm, 2 Wochen Aktivierung. – a) Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die apikale Ansicht der beiden Prämolarenwurzeln mit resorptiven Bereichen (R) auf der lingualen Fläche (L) der beiden Wurzeln (BR: bukkale Wurzel, LR: linguale Wurzel; 18). – b) Zervikaler Abschnitt auf der bukkalen Wurzelfläche mit einem erkennbaren resorptiven Bereich (R)( 40).

Group with Continuous Moment Application of 600 cNmm The root surface of these teeth showed deeper and more extensive resorption areas. Teeth moved for 1 week revealed small resorption lacunae near to the apical foramina in the pressure zone of the lingual surface (Figures 7a and 7b). Teeth moved for 2 weeks showed resorption lacunae in the apical thirds of the pressure zone (Figure 8a); welldemarcated resorption areas on the buccal surface in the cervical thirds were also evident (Figure 8b). Teeth moved for 3 (Figures 9a to 9c) and 4 (Figures 10a to 10d) weeks exhibited more resorption areas in the pressure zone; the

Gruppe mit kontinuierlicher Momentapplikation von 600 cNmm Die Wurzeloberfläche dieser Zähne zeigte tiefere und ausgedehntere resorptive Bereiche. Die Zähne, die für 1 Woche bewegt wurden, zeigten kleine Resorptionslakunen in der Nähe des apikalen Foramens auf der Druckseite (linguale Fläche) (Abbildungen 7a und 7b). Die Zähne, die für 2 Wochen bewegt wurden, zeigten Resorptionslakunen im apikalen Drittel der Druckseite (Abbildung 8a); gut abgegrenzte resorptive Bereiche waren auch auf der bukkalen Fläche des zervikalen Drittels festzustellen (Abbildung 8b). Die Zähne, die für 3 (Abbildungen 9a


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Figures 9a to 9d. Group with continuous torque application of 6 Nmm (after a three-week period). – a) Scanning electron micrograph showing the apical 3 of the lingual root surface (L) with many well-defined resorption areas (R) ( 20). – b) Higher magnification of a resorption area from a) showing lacunae extending into the dentine. Dentine tubules (arrowheads) appear in longitudinal view. 800. – c) Resorption lacunae in the cervical root third extending into the superficial dentine with loop profiles of some dentine tubules (arrowheads) ( 1,070). – d) Micrograph of the tension area in which the cementum surface exhibits its normal appearance ( 860). Abbildungen 9a bis 9d. Gruppe mit kontinuierlicher Torqueapplikation von 6 Nmm, 3 Wochen Aktivierung. – a) Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die linguale Fläche des apikalen Drittels (L) mit vielen resorptiven Bereichen (R) ( 20). – b) Stärkere Vergrößerung des resorptiven Bereichs aus a), der Lakunen zeigt, die ins Dentin hineinreichen. Dentinkanälchen (Pfeile) in Längsansicht ( 800). c) Resorptionslakunen im zervikalen Wurzeldrittel, die ins oberflächliche Dentin reichen und die Loopprofile einiger Dentinkanälchen zeigen (Pfeile) ( 1070). – d) Bereich aus der Zone mit Zugspannung, in der die Zementoberfläche normal erscheint ( 860).

bis 9c) und 4 Wochen (Abbildungen 10a bis 10d) bewegt wurden, zeigten mehr resorptive Bereiche auf der Druckseite; die Lakunen waren tiefer und reichten bis ins Dentin. Wie bei der Gruppe, die mit 300 cNmm bewegt wurde, zeigten die Zähne auf der Spannungsseite (bukkale Fläche des apikalen Drittels und linguale Fläche des zervikalen Drittels) keine Zeichen von Resorption. Es war auch möglich, auf ihrer Oberfläche viele Vertiefungen entsprechend den Zementoblasten zu verifizieren (Abbildung 9d).

lacunae increased in depth, extending into the underlying dentine. As in the group moved with 300 cNmm, root surfaces in the tension zones (bucco-apical root third and linguo-cervical root third) revealed no characteristics of resorption. It was also possible to identify many depressions in the roots’ surface pattern corresponding to cementoblasts in vivo (Figure 9d). Discussion The present study showed that numerous resorption areas appeared on the root surface when continuous torque moment was applied to human teeth. These resorption areas were localized in the roots’ pressure zones and their extension and depth were directly related to the duration of torque moment and to the force magnitude.

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Diskussion Die vorliegende Studie zeigte, dass zahlreiche resorptive Bereiche auf der Wurzeloberfläche entstanden, wenn ein kontinuierliches Torquemoment auf die menschlichen Zähne ausgeübt wurde. Diese resorptiven Bereiche waren auf der Druckseite der Wurzeln lokalisiert, und ihre Ausdehnung und Tiefe standen in direktem Bezug zu der Dauer des Torquemoments und der Kraftgröße. Der wirksame Torque entspricht dem Brackettorque plus eingesetztem Drahttorque minus Torsionsspiel (Spiel bei dritter Ordnung) [14]. Wir erhielten Torsionsspiel [14, 15] durch die Anwendung eines 0,016 0,022 -Segments in einem 0,018 -Bracket. Dieses Torsionsspiel wurde jedoch von der Voraktivierung berücksichtigt, und es hat keinen Einfluss auf das Torquemoment. Das Torsionsspiel der Molarentube hat keinen Einfluss auf die Aktivierung, weil der Torque nach der Klemmverbindung überprüft wurde. Diese Biomechanik wurde aktiviert, indem die Torqueangulation der Klemmverbindung, das transversale



Figures 10a to 10d. Group with continuous torque application of 6 Nmm (after a 4-week period). – a) Scanning electron micrograph showing an apical view of the roots, where many resorption areas (R) may be observed on both lingual surfaces of the two roots, i.e. the lingual (LR) and the buccal (BR) root ( 11). – b) Lingual view of the apical third of the same roots as in a). Lingual root (LR); buccal root (BR). Resorption areas (R) are visible on each lingual surface of both roots. The lesions increase in depth towards the apical area ( 15). – c) Resorption lacunae with many dentinal tubules exposed in transverse section, showing the peritubular dentin (arrowheads) ( 1,200). – d) Higher magnification of some dentinal tubules in transverse section, with simultaneous presentation of peritubular dentine (arrowheads) ( 3,500). Abbildungen 10a bis 10d. Gruppe mit kontinuierlicher Torqueapplikation von 6 Nmm, 4 Wochen Aktivierung. – a) Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die apikale Ansicht der Wurzeln mit vielen resorptiven Bereichen (R) auf der Lingualfläche der palatinalen (LR) und der bukkalen Wurzel (BR) ( 11). – b) Linguale Ansicht des apikalen Drittels der gleichen Wurzel aus a). Im oberen Bildabschnitt ist die palatinale Wurzel (LR) und im unteren die bukkale Wurzel (BR) dargestellt. Resorptive Bereiche (R) werden auf der lingualen Fläche beider Wurzeln sichtbar und verstärken sich, je näher sie dem apikalen Drittel kommen ( 15). – c) Resorptionslakunen mit vielen Dentinkanälchen im Transversalschnitt, der das peritubuläre Dentin zeigt (Pfeile) ( 1 200). – d) Stärkere Vergrößerung einiger Dentinkanälchen im Diagonalschnitt, der auch peritubuläres Dentin zeigt (Pfeile) ( 3 500).

The effective torque is the product of bracket torque plus incorporated wire torque minus torsional play (third order clearance) [14]. The use of a 0.016 0.022 segmented wire in 0.018 brackets resulted in some torsional play [14, 15]. This was, however, taken into consideration by the pre-activation and seemed not to affect the torque movement, probably due to the time period of the experiment (maximum: 4 weeks). We believe that the torsional play in the molar tubes did not affect the amount of activation because the torque was controlled after the crimped connection had been established. The overall activation of this biomechanical model was done by checking the torque angulation of the crimped connection, the transversal profile of the NiTi segment, and the bracket slot position. Resorption areas were detected in the zones of maximum stress, i.e., in the pressure zone of the linguo-apical root third and of the bucco-cervical root third. In addition, when a higher force magnitude was applied, a significant increase in the severity of root resorption was observed. Our findings are in accordance with those of Stenvik & Major [24], who studied the histological aspects of different force magnitudes and of different experimental force durations on human premolars and observed that both variables are related to resorption of root dentine. Reitan [21] found that an increase in force may increase the tendency to apical root resorption in human premolars. Harry & Sims [12],


Profil des NiTi-Segments und die Position des Bracketslots überprüft wurden. Resorptive Bereiche konnten in Zonen maximaler Belastung festgestellt werden, z.B. auf der Druckseite des apikalen Drittels (linguale Fläche) und des zervikalen Drittels (bukkale Fläche) der Wurzeln. Zusätzlich konnte ein signifikanter Anstieg im Schweregrad der Wurzelresorption beobachtet werden, wenn ein größeres Moment angewandt wurde. Unsere Ergebnisse entsprechen denen von Stenvik & Major [24], die die histologischen Aspekte und die Wirkung auf menschliche Prämolaren bei unterschiedlicher Kraftgröße und Dauer des Experiments untersucht haben. Sie beobachteten, dass beides mit Resorptionen im Dentin

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established a relation between increased root resorption and increased duration of the applied force on the one hand; on the other hand they registered a lesser extent of root resorption in cases of increased appliance activation. Faltin et al [10] found that intrusion of human teeth with continuous forces induced root resorption, depending on the magnitude of the applied force. However, our findings do not comply with those of Owman-Moll et al [16, 17], who observed that tooth movements and the severity of root resorptions were not significantly affected by doubling the force magnitude. Torque moment with 600 cNmm, mainly after application periods of 3 and 4 weeks, produced severe resorption of cementum, also extending into the underlying root dentine. As root resorptions develop in this time period in everyday orthodontic treatment too, it is very important for the clinician to give special consideration to this stage. In addition, the force magnitude should be assessed as another essential factor affecting tooth movement and root resorption during the application of constant forces [10]. However, in the present experiment, the duration was an important factor in mediating root resorption. Root surface lesions may well occur even after the utilization of lower “physiological-like” moments (300 cNmm), mainly after 3 and 4 weeks of torque moment application. Thus, it is conceivable that the damage would be greater if the teeth were moved for a longer time period. However, for ethical reasons and to avoid the risk of interfering with the biomechanical calibration, we confined the present study to a 4-week period. It should be borne in mind that root resorption generally remains clinically undetected because of its asymptomatic course. Thus, its diagnosis usually results from an incidental radiographic finding [4]. In the present study, patients reported experiencing no pain, irrespective of the magnitude of the applied forces. The most effective method for root resorption diagnosis is periapical radiography. However, due to the localization of the resorption areas (buccal and lingual surfaces of the roots) it is impossible to detect these resorption processes with conventional radiographic techniques [1, 25]. Therefore these root lesions can usually be revealed only after tooth extraction as shown in this study. Conclusions 1. Torque of human teeth with continuous moments induces root resorption, whose extent depends on the magnitude of the moment and on the duration of the applied force. 2. Lingual root torque initiates severe resorptions in the apical third of the lingual root surface and more discrete resorption processes in the cervical third of the buccal root surface. 3. The evaluated time periods of 3 and 4 weeks, which correspond to the usual interval between two orthodontic

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zusammenhängt. Reitan [21] fand heraus, dass ein Kraftanstieg die Tendenz zu apikaler Wurzelresorption bei menschlichen Prämolaren erhöht. Harry & Sims [12] stellten einen Bezug her zwischen größerer Resorption bei längerer Kraftdauer und einem geringeren Resorptionsausmaß bei größerer Geräteaktivierung. Faltin et al. [10] konnten zeigen, dass je nach Größe der angewandten Kraft die Intrusion von menschlichen Zähnen mit kontinuierlichen Kräften zu Wurzelresorptionen führen kann. Untersuchungen von Owman-Moll et al. [16, 17] stimmen mit unseren Resultaten nicht überein. Diese Autoren beobachteten, dass Zahnbewegungen und der Schweregrad der Wurzelresorptionen durch die Verdopplung der Kraftgröße nicht signifikant beeinflusst wurden. Torquemomente von 600 cNmm, hauptsächlich nach 3 und 4 Wochen, verursachten schwere Resorptionen des Zements, die auch bis in das darunter liegende Dentin reichten. Da die meisten kieferorthopädischen Behandlungen in etwa diese Zeitspanne umfassen, ist dies ein wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden sollte. Zusätzlich sollte die Kraftgröße als weiterer essentieller Faktor gesehen werden, der auf die Zahnbewegung und die Wurzelresorption während der Anwendung konstanter Kräfte [10] einwirkt. In der vorliegenden Untersuchung war jedoch die Dauer ein wichtiger Faktor für die Wurzelresorption. Es ist möglich, auch bei Anwendung niedrigerer, physiologischerer Momente (300 cNmm) Schädigungen auf der Wurzeloberfläche zu finden, und dies hauptsächlich nach der Anwendung eines Torquemoments über 3 und 4 Wochen. So ist es vorstellbar, dass die Schädigung größer wäre, wenn die Zähne über eine längere Zeit bewegt würden. Man sollte daran denken, dass Wurzelresorptionen aufgrund ihrer asymptomatischen Aktivität in der Regel unentdeckt bleiben. So wird die Diagnose gewöhnlich nur aufgrund eines gelegentlich erhobenen Röntgenbefundes gestellt [4]. In dieser Studie berichteten die Patienten, dass sie bei beiden Kraftgrößen keine Schmerzen hatten. Die effektivste Methode, Wurzelresorptionen zu diagnostizieren, ist die Erstellung von Rechtwinkelröntgenbildern. Jedoch ist es aufgrund der Lokalisation der resorptiven Bereiche (bukkale und linguale Fläche der Wurzeln) nicht möglich, diese Resorptionen mit röntgenographischen Methoden festzustellen [1, 25]. Aus diesem Grund zeigte diese Studie Resorptionen bukkaler und lingualer Flächen, die nur nach der Extraktion des Zahnes festgestellt werden können. Schlussfolgerungen 1. Das Torquen menschlicher Zähne mit kontinuierlichen Momenten verursacht Wurzelresorptionen, die von der angewandten Momentgröße und der Anwendungszeit abhängig sind. 2. Der linguale Wurzeltorque erzeugt starke Resorptionen auf der lingualen Fläche des apikalen Drittels und gerin-



appointments, reveal that these periods may be long enough for severe root resorptions to develop. Acknowledgments This investigation was approved by the Medical Ethics Committee of the University of São Paulo, São Paulo, Brazil. The authors thank Ms. B. Müller for her reliable support in translating this manuscript.

gere Resorptionen auf der bukkalen Fläche des zervikalen Drittels der Wurzeln. 3. In dem Zeitraum von 3 – 4 Wochen, der klinisch gesehen dem zeitlichen Abstand zwischen den normalen Kontrolluntersuchungen entspricht, können sich größere Wurzelresorptionen beim Patienten entwickeln. Danksagungen

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Diese Studie hatte die Zustimmung der Ethikkommission der Universität von São Paulo, São Paulo, Brasilien. Die Autoren danken Frau B. Müller für die zuverlässige Unterstützung bei der Übersetzung des Manuskripts.

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Correspondence Address Prof. Victor E. Arana-Chavez DDS, MSc, PhD Laboratory of Mineralized Tissue Biology Department of Histology, ICB University of São Paulo 05508-900 São Paulo, SP. Brazil e-mail: [email protected]

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