Purpose: The aim was to investigate the effect of aging by thermocycling and mechanical loading on forces and moments generated by orthodontic clear aligners made from different thermoplastic materials.
Methods: A total of 25 thermoformed aligners made from 5 different materials, i.e., Essix ACE® and Essix® PLUS™ (Dentsply Sirona, Bensheim, Germany), Invisalign® (Align Technology, San Jose, CA, USA), Duran®+ (Iserlohn, Germany), Zendura™ (Fremont, CA, USA), underwent a 14-day aging protocol involving mechanical loading (a 0.2 mm vestibular malalignment of the upper left second premolar [tooth 25]) and thermocycling in deionized water (temperature range 5-55 °C). The 3D forces/moments exerted on tooth 25 of a resin model were measured at three time points: before aging (day 0), after 2 days and after 14 days of aging.
Results: Before aging, extrusion-intrusion forces were 0.6-3.0 N, orovestibular forces were 1.7-2.3 N, and moments as mesiodistal rotation were 0.3-42.1 Nmm. In all directions, multilayer Invisalign® exhibited the lowest force/moment magnitudes. After aging, all materials showed a significant force/moment decay within the first 2 days, except Invisalign® for orovestibular and vertical translation. However, following thermomechanical aging, Duran®+ and Zendura™ aligners had equivalent or even higher vestibular forces (direction of mechanical load).
Conclusion: Thermomechanical aging significantly reduced forces and moments during the first 48 h. Multilayer aligner materials exhibit lower initial forces and moments than single-layer ones, and were less influenced by aging. Material hardening was observed after subjecting some of the aligner materials to mechanical loading. Thus, orthodontists should be aware of possible deterioration of orthodontic aligners over time. This work also sheds light on how material selection impacts the mechanical behavior of aligners and may provide valuable guidance regarding optimal timing for the aligner changing protocol.
Zusammenfassung: ZIEL: Ziel war es, die Auswirkung der Alterung durch Thermocycling und mechanische Belastung auf von kieferorthopädischen Alignern aus verschiedenen thermoplastischen Materialien erzeugte Kräfte und Drehmomente zu untersuchen.
Methoden: Insgesamt 25 tiefgezogene Aligner aus 5 verschiedenen Materialien, Essix ACE® und Essix® PLUS™ (Dentsply Sirona, Bensheim, Deutschland), Invisalign® (Align Technology, San José/CA, USA), Duran®+ (Iserlohn, Deutschland), Zendura™ (Fremont/CA, USA), wurden einem 14-tägigen Alterungsprotokoll unterzogen, das eine mechanische Belastung (eine 0,2 mm vestibuläre Fehlstellung des oberen linken zweiten Prämolaren [Zahn 25]) und Thermocycling in demineralisiertem Wasser (Temperaturbereich 5–55 °C) umfasste. Die auf den Zahn 25 eines Kunststoffmodells ausgeübten 3‑D-Kräfte/-Drehmomente wurden zu 3 Messzeitpunkten ermittelt: vor der Alterung (Tag 0) sowie 2 und 14 Tage nach der Alterung.
Ergebnisse: Vor der Alterung betrugen die Extrusion-Intrusion-Kräfte 0,6–3,0 N, die orovestibulären Kräfte 1,7–2,3 N und die Drehmomente als mesiodistale Rotation 0,3–42,1 Nmm. In allen Richtungen wies das mehrschichtige Invisalign® die niedrigsten Kraft‑/Drehmomente auf. Nach der Alterung zeigten alle Materialien innerhalb der ersten 2 Tage einen signifikanten Kraft/Drehmomente-Abfall, außer Invisalign® für die orovestibuläre und vertikale Translation. Nach der thermomechanischen Alterung wiesen Duran®+- und Zendura™-Aligner jedoch gleichwertige oder sogar höhere vestibuläre Kräfte auf (Richtung der mechanischen Belastung).
Schlussfolgerung: Die thermomechanische Alterung reduzierte die Kräfte und Drehmomente in den ersten 48 h erheblich. Mehrschichtige Aligner-Materialien wiesen geringere Anfangskräfte und -momente auf als einschichtige und wurden durch die Alterung weniger beeinflusst. Nach der mechanischen Belastung einiger Aligner-Materialien wurde eine Materialverhärtung beobachtet. Kieferorthopäden sollten sich daher über eine mögliche Verschlechterung der Aligner im Laufe der Zeit im Klaren sein. Diese Arbeit wirft auch ein Licht darauf, wie sich die Materialauswahl auf das mechanische Verhalten von Alignern auswirkt, und kann wesentliche Hinweise auf den optimalen Zeitpunkt für das Aligner-Wechselprotokoll liefern.
Keywords: Biomechanics; Clear aligner appliances; Orthodontic forces; Tooth movement; Torque.
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