2020, Número 2
Análisis de elementos finitos de los efectos biomecánicos de micro-osteoperforaciones del hueso cortical ante fuerzas expansivas
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Referencias bibliográficas: 16
Paginas: 104-112
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RESUMEN
Introducción: Las micro-osteoperforaciones (MOPs) son un procedimiento en el que se crean perforaciones en el hueso alrededor de los dientes para acelerar el movimiento dental durante el tratamiento de ortodoncia. Objetivo: Determinar los efectos biomecánicos de las MOPs del hueso cortical vestibular al aplicar una fuerza ortodóntica expansiva en un modelo de elementos finitos. Material y métodos: Se construyeron nueve modelos 3D de un premolar superior derecho: un modelo control; cuatro modelos para evaluar el efecto del número de perforaciones, dos modelos para evaluar el efecto de la profundidad de la perforación y dos modelos para evaluar el efecto del ancho de la perforación. Para establecer una comparación entre los modelos, se les aplicó una carga simulada de 2.6 Newton para imponerle un movimiento expansivo (0.20 mm) dirección vestibular, tomando en cuenta los patrones de esfuerzo y deformación unitaria en el hueso alveolar. Resultados: El modelo de elementos finitos evidenció que en las simulaciones con 4 y 9 MOPs se observó una tendencia creciente en el aumento de las microdeformaciones al aumentar el diámetro y la profundidad de las MOPs a 1 mm en siete de los ocho modelos. El modelo de cuatro MOPs con diámetro de 0.5 mm y profundidad de 1 mm se observó una disminución de las microdeformaciones. Conclusiones: La construcción de un modelo básico de elementos finitos de un segundo premolar superior evidenció que la utilización de las MOPs produce un aumento de las microdeformaciones óseas que promueven el proceso de remodelación ósea en las zonas de microtrauma.INTRODUCCIóN
La realización de la expansión ortodóntica supone retos como efectos indeseados (fenestraciones y dehiscencias), incompetencia biomecánica y niveles de fuerzas inapropiados. Para hacer frente a estos problemas y con el fin de facilitar el movimiento ortodóntico, se han utilizado técnicas quirúrgicas como la osteotomía, la distracción osteogénica, la corticotomía y las micro-osteoperforaciones o microperforaciones (MOPs).
Las MOPs son un procedimiento en ortodoncia en el que se crean perforaciones en el hueso alrededor de los dientes, para acelerar el movimiento dental durante el tratamiento de ortodoncia. Es un método que genera una menor lesión quirúrgica y tiene una simplicidad técnica que facilita su utilización. Las MOPs producen una ruptura en la continuidad de la cortical, lo que genera una reducción de la densidad ósea. A nivel celular, se produce un aumento de las microdeformaciones, que genera un fenómeno denominado mecanotransducción, donde las señales de tipo mecánico desencadenan y aumentan respuestas de tipo biológico. Así se induce a la liberación de citocinas y quimiocinas que regulan los procesos de remodelación y aposición ósea suscitando el movimiento dental. Por lo anterior, la microdeformación se convierte en el estímulo mecánico más importante para aumentar la respuesta celular.
La creación de MOPs puede usarse en muchos escenarios clínicos diferentes gracias a la activación de los osteoclastos y la reducción temporal de la densidad ósea. Por ejemplo, en casos donde la densidad del hueso cortical es alta y el tratamiento de ortodoncia no podría producir resultados óptimos. El procedimiento puede utilizarse como complemento de cualquier aparato de ortodoncia, incluidos aparatos fijos, alineadores plásticos o aparatos removibles (como expansores y distalizadores).1
Por la misma razón, las MOPs pueden facilitar algunos movimientos difíciles de lograr en ortodoncia, constituyendo una técnica complementaria excelente durante la protracción o retracción de un solo diente o grupo de dientes. Es especialmente útil cuando un diente se mueve en un espacio edéntulo, donde el hueso alveolar es denso y poseía una cresta estrecha.2
MATERIAL Y MéTODOS
La fase de modelado geométrico tiene como propósito representar el premolar en términos de puntos, líneas y superficies. El modelo del diente fue obtenido a partir de la digitalización en 3D de un premolar superior derecho.3
Para evaluar el efecto del número, profundidad y diámetro de las perforaciones se construyeron nueve modelos, teniendo en cuenta que todas las perforaciones estarían separadas por 1 mm entre sí (Tabla 1).
- 1. Un modelo de control sin MOPs.
- 2. Ocho modelos con 4 y 9 MOPs (Figura 1).
A cada modelo le fue aplicado una carga simulada de 2.644 N y un contramomento de 21.34 N/mm que permitió 1° de inclinación dental y se aplicó un movimiento expansivo de 0.20 mm en dirección vestibular que indujo un desplazamiento en dirección palato-vestibular (X del modelo). La fuerza fue impuesta sobre la corona del diente, con el fin de lograr un movimiento más aproximado a la realidad clínica y a partir de estos datos realizar la simulación de los modelos con MOPs.
La comparación entre modelos fue establecida, teniendo en cuenta los patrones de esfuerzo y deformación unitaria en el hueso cortical.
Para la simulación, a cada estructura le fue asignada las propiedades mecánicas reportadas en la literatura para el material específico. Las estructuras tomadas en cuenta fueron el diente, el ligamento periodontal (PDL),4 el hueso cortical y el hueso trabeculado. Las propiedades de los materiales utilizados en este estudio fueron tomadas a partir de estudios de elementos finitos realizados anteriormente (Tabla 2).5
Modelación- 1. Diente (premolar superior derecho): fue modelado con un material de comportamiento elástico lineal isotrópico y homogéneo, diferenciando esmalte y dentina. Las propiedades mecánicas fueron obtenidas de estudios anteriores.6
- 2. PDL: se definió como un material homogéneo, isotrópico, con comportamiento elástico no lineal con una función de esfuerzo-deformación unitaria calculado a partir de los datos reportados en Toms y Eberhardt.4
- 3. Hueso cortical y trabecular: se determinó como un material homogéneo con comportamiento elástico lineal isotrópico. Fueron contempladas las diferencias en la rigidez entre diferentes tipos de hueso, ya que se consideraron relevantes para los objetivos del estudio.
Las propiedades del hueso fueron asignadas de forma individual de acuerdo con la verdadera morfología del hueso, tal como se obtuvo de exploraciones de tomografía computarizada (CT) de Cattaneo et al.7 De modo que la estructura del hueso, incluyendo las estructuras trabeculares, fueron modeladas en un nivel de tejido diferente.
En la simulación, la raíz del diente estuvo rodeada por una capa uniforme de 0.3 mm de espesor que representó el PDL, que a su vez estuvo rodeada por otra capa de un espesor promedio de 0.8 mm que representó la lámina dura.8
El modelo fue construido con todos los tejidos de soporte, el hueso trabecular, el hueso cortical (la lámina dura y la cortical se combinaron en un único sólido con las mismas propiedades), el PDL y el diente.
La geometría del hueso alveolar, tanto trabecular como cortical, y el PDL fueron construidos en un ensamble descendente, a partir del modelo de diseño asistido por computadora (CAD) del diente, mediante el programa SolidWorks® 2018.
Posteriormente, la geometría del modelo CAD fue importado al programa de elementos finitos ANSYS 19 R1®.
EnmalladoEl enmallado del modelo en estos estudios biomecánicos utilizaron elementos tetraédricos cuadráticos de 10 nodos (SOLID187 ANSYS®). Los modelos requirieron que en las zonas de los orificios fuese realizado un refinado de malla con el fin de dar a los resultados la mayor precisión. El número de nodos y elementos se evidencia en la Tabla 3.
Condiciones de contactoEn ANSYS 19 R1® la condición de unión rígida fue establecida sin desplazamiento relativo (bonded) en las siguientes interfaces: 1) la interfase diente-ligamento periodontal: presentó un tipo de unión sin desplazamiento relativo. 2) La interfase ligamento periodontal-hueso cortical: presentó un tipo de unión sin desplazamiento relativo. 3) La interfase hueso cortical-hueso trabecular: presentó un tipo de unión sin desplazamiento relativo.
Sistema coordenadoUn sistema coordenado estableciendo el eje X en dirección vestibular, el eje Y en dirección coronal y el eje Z en dirección distal fue elegido.
Simulación del movimiento del dienteSe impuso una fuerza de 2.644 N y un contramomento de 21.34 N/mm que indujo a un desplazamiento de 0.20 mm en dirección palato-vestibular. La fuerza se impuso sobre la corona del diente con el fin de lograr un movimiento más aproximado a la realidad clínica y basado en dichos datos, la simulación de los modelos con MOPs fue realizada. Los patrones de desplazamiento del premolar mostraron el cambio de ubicación en los desplazamientos máximos y mínimos en cada caso, y la distribución de esfuerzos y deformaciones fueron obtenidos.
Consideraciones éticasDe acuerdo con la resolución No. 008430 de 1993 del Ministerio de Salud de la República de Colombia, este proyecto de investigación se cataloga dentro de la clasificación sin riesgo, pues no fue llevado a cabo en personas, por lo tanto, no existen implicaciones de tipo ético.
RESULTADOS
La Universidad Autónoma de Manizales adquirió una nube de puntos a escala real de la empresa TurboSquid® de toda la dentición humana permanente. Se tomaron las medidas antropométricas de hueso cortical y lámina dura para realizar los diferentes sólidos CAD y poder definir con detalle cada tejido.
Con el fin de evaluar el efecto de las MOPs sobre el hueso cortical vestibular al aplicar una carga ortodóntica expansiva se realizó una comparación de modelos con 4 y 9 MOPs (Figura 2), con profundidades de 1 y 0.5 mm, y diámetros de 1 y 0.5 mm con relación al modelo control sin MOPs. Se analizaron los niveles de microdeformación unitaria principal en la zona y sus efectos alrededor de las MOPs obteniendo los resultados de las deformaciones principales descritos en la Tabla 4.
Se estableció una condición de soporte fijo en la base del hueso cortical hacia el extremo apical, y la zona lateral tuvo la condición de soporte sin fricción como se observa en la Figura 3. A partir de esto se evaluó la microdeformación en el hueso cortical de todos los modelos. Las condiciones de borde y de frontera fueron aplicadas en todos los modelos para poderlos comparar unos con otros. La desviación porcentual entre la cantidad de nodos de un modelo y otro fue menor de 5%.
DISCUSIóN
De acuerdo con el modelo numérico desarrollado en el presente estudio, la realización de MOPs siempre amplifican y concentran las microdeformaciones resultantes en el hueso cortical.
Los estudios realizados por Alikhani et al. sugieren que las MOPs estimulan la expresión de marcadores de la inflamación haciendo que se desencadene una serie de eventos. De acuerdo a su propuesta, se presenta una fase catabólica en la cual los osteoclastos reabsorben hueso en ambos lados de tensión y compresión. Posteriormente, ocurre una fase anabólica que para restaurar el hueso alveolar a sus niveles de pretratamiento.9
El presente estudio muestra que existe un fenómeno mecánico de incremento en los niveles de deformación en el hueso asociado al tratamiento con MOPs. La relación de este fenómeno con el efecto biológico de incremento en la actividad ósea localizada, ya sea causal, o bien, colaborativa.
Se evidenció que en la zona circundante de las MOPs se presentan perturbaciones, provocando un aumento de las microdeformaciones, lo que genera la mecanotransducción y desencadena la respuesta celular.10
Los modelos con MOPs de mayor profundidad presentan mayores niveles de microdeformación, asociado a una disminución en la densidad ósea, lo cual produce menor rigidez y mayor elasticidad en el hueso cortical. Alikhani11 indica que los procesos de remodelación ósea vestibular en un movimiento expansivo resultan beneficiosos, porque se da una respuesta biológica en la disminución de la densidad ósea. Facilitando la disminución de fenestraciones y dehiscencias óseas, y las reabsorciones radiculares.
El microtrauma ocasionado por las MOPs activa los mecanismos biológicos de remodelación ósea durante los movimientos dentales,12 evidenciando las MOPs como una herramienta útil en la realización de los tratamientos ortodónticos.
Las microdeformaciones máximas encontradas a nivel del borde de la cresta alveolar vestibular se asocian a la imposibilidad clínica de generar el suficiente "contramomento" para contrarrestar la inclinación del diente en dirección vestibular. Lo cual que concuerda con los hallazgos de Houle et al,13 donde concluyen que el movimiento expansivo con alineadores plásticos se logra entre 60 y 80% con respecto a la predicción que se hace con base en un movimiento de traslación y sin tener en cuenta la restricción mecánica del tejido óseo sobre el movimiento.
Zhao et al,14 en 2017, evaluaron la eficiencia de la expansión maxilar con alineadores plásticos y determinaron que la expansión se logró mediante el movimiento en dirección vestibular de los dientes posteriores con su respectiva inclinación. Es decir, el aumento del ancho intermolar planeado de expansión tiene una influencia significativa en la eficiencia de la expansión a nivel premolar.
Carvalho Trojan et al15 hicieron referencia a la expansión maxilar con el uso de expansores tradicionales y concluyeron que los expansores dentosoportados requieren de mayor activación para lograr el mismo efecto que los expansores oseosoportados.
Cuando de elementos finitos se trata, se deben modelar ambos tipos de hueso tanto el cortical como el trabecular siempre que se desee cuantificar la deformación.16 Este hallazgo ayuda al ortodoncista a crear estrategias para mejorar los resultados del plan de tratamiento, además que valida la construcción de nuestro modelo con sus respectivos tejidos para acercarnos más a un entorno clínico real.
CONCLUSIONES
- 1. La utilización de las MOPs amplifica y concentra las microdeformaciones óseas locales en el hueso cortical vestibular durante la expansión maxilar. El número de MOPs no necesariamente aumenta la deformación principal máxima, lo que sí genera son gradientes mayores.
- 2. Con las cargas clínicas típicas, las microdeformaciones máximas se encuentran a nivel del borde de la cresta alveolar vestibular. Las MOPs con mayor profundidad generan mayores niveles de microdeformación.
- 3. La deformación principal aumenta muy poco con la profundidad de 0.5 mm. El efecto combinado de diámetro y profundidad de las MOPs amplifica el efecto de aumento de deformación principal máxima.
REFERENCIAS (EN ESTE ARTÍCULO)
AFILIACIONES
1 Profesor asociado de Biomecánica Ortodóncica, Departamento de Salud Oral. Universidad Autónoma de Manizales, Caldas, Colombia.
2 Profesor asociado, Departamento de Mecánica y Producción. Universidad Autónoma de Manizales, Caldas, Colombia.
3 Residentes de Especialización en Ortodoncia, Departamento de Salud Oral. Universidad Autónoma de Manizales, Caldas, Colombia.
CORRESPONDENCIA
Juan Pablo Gómez Arango. E-mail: jgomez@autonoma.edu.coRecibido: Febrero 2020. Aceptado: Mayo 2020.