Comparison of Frictional Resistance Among Conventional, Active and Passive Self-Ligating Brackets with Different Combinations of Arch Wires: A Finite Elements Study

Abstract

ABSTRACT: The aim of this study was to compare frictional resistance among conventional, passive and active self­ligating brackets using Finite Elements Analysis (FEA). Seventy­nine (79) slide tests were performed by combining an upper first bicuspid conventional bracket, 0.018” stainless steel wires and 0.010” ligature by means of an INSTRON 3345 load system to obtain average maximum static frictional resistance (MSFR). This value was compared to the FR (frictional resistance) obtained by simulation of a slide of the same combination by FEA following conventional bracket modeling by means of Computer Aided Design (CAD). Once the FEA was validated, bracket CADs were designed (upper right first bicuspid conventional, active and passive self­ligating bracket) and bracket properties calculated. MSFR was compared among conventional, active and passive self­ligating brackets with different alloys and archwire cross sections such as 0.018”, 0.019” x 0.025”and 0.020” x 0.020”. Passive self­ligating brackets had the lowest MSFR, followed by conventional brackets and active self­ligating brackets. In conventional brackets, a 0.018” archwire produced a linear pattern of stress with maximum concentration at the center. Conversely, stress in 0.020 x 0.020” and 0.019 x 0.025” archwires was distributed across the width of the slot. The highest normal forces were 1.53 N for the 0.018” archwire, 4.85 N for the 0.020 x 0.020” archwire and 8.18 N for the 0.019 x 0.025” archwire. Passive self­ligating brackets presented less frictional resistance than conventional and active self­ligating brackets. Regardless of bracket type, greater contact area between the slot and the archwire and the spring clip increased frictional resistance.

RESUMEN: El objetivo de este estudio fue comparar la resistencia friccional entre brackets convencionales, de autoligado pasivo y activo por medio del método de elementos finitos (MEF). Se realizaron setenta y nueve (79) deslizamientos combinando brackets convencionales de primer bicúspide superior con arcos de acero de 0,018” y ligadura metálica de 0,010” en una máquina INSTRON 3345, obteniendo el promedio de la resistencia estática máxima (REM). Este valor fue comparado con la resistencia friccional obtenida por simulación de un deslizamiento de la misma combinación por medio de MEF previo diseño asistido por computador (CAD) del bracket convencional. Una vez se validó MEF, se realizaron diseños CAD de los brackets (convencional, autoligado activo y pasivo de primer bicúspide superior derecho) y cálculos de sus propiedades. Se realizó una comparación entre brackets convencionales, brackets de autoligado activo y pasivo con diferentes aleaciones y secciones cruzadas de alambre 0.018”, 0.019” x 0.025” y 0.020” x 0.020”. Los brackets de autoligado pasivo mostraron la menor REM, seguidos de los brackets convencionales y finalmente los brackets de autoligado activo. En los brackets convencionales, el arco de 0,018” produjo un patrón lineal de stress en el fondo de la ranura, con su máxima concentración en el centro. Por el contrario, los arcos de 0.020” x 0.020” y 0.019 x 0.025” tuvieron una distribución de esfuerzos a través del ancho de la ranura. La mayor fuerza normal en los brackets convencionales fue para el arco 0.019”x 0.025” (8.18N), seguido por el arco 0.020 x 0.020” (4.85N) y finalmente el arco 0.018” (1.53N). Los brackets de autoligado pasivo presentaron menos resistencia friccional que los brackets convencionales y autoligado activo respectivamente. Independiente del tipo de bracket, una mayor área de contacto entre la ranura del bracket y el arco, y el spring clip aumentaron la resistencia friccional.