NAYARA NEHRING PRADO SANTOS AVALIAÇÃO MECÂNICA DAS MINIPLACAS COM O MÉTODO DO ELEMENTO FINITO: REVISÃO DE LITERATURA

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1 NAYARA NEHRING PRADO SANTOS AVALIAÇÃO MECÂNICA DAS MINIPLACAS COM O MÉTODO DO ELEMENTO FINITO: REVISÃO DE LITERATURA CURITIBA-PR 2014

2 NAYARA NEHRING PRADO SANTOS AVALIAÇÃO MECÂNICA DAS MINIPLACAS COM O MÉTODO DO ELEMENTO FINITO: REVISÃO DE LITERATURA Monografia apresentada à Universidade Tuiuti do Paraná como parte dos requisitos para obtenção do título de especialista em Ortodontia. Orientador: Prof. Dr. Roberto Hideo Shimizu CURITIBA-PR 2014

3 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho ао mеυ esposo, Thiago Oliveira da Silva, por estar sempre ao meu lado, me ajudando, incentivando. Admiro muito você e foi tua força que me permitiu concluir está etapa. Ao meu filho, Matheus Nehring Oliveira da Silva, meu maior presente e estímulo para tudo na vida. Dedico esta, bеm como todas аs minhas demais conquistas, аоs meus pais Marcos Vinicius Prado dos Santos е Maria Angela Nehring Santos, minha irmã Julyana Nehring Santos e meu irmão Lucas Nehring Prado Santos.

4 AGRADECIMENTOS Agradeço aos meus familiares e amigos, pelas orações e apoio constante. á todos os professores, em especial meu Orientador Dr prof Roberto Hideo Shimizu, pela orientação e incentivo que tornaram possível a conclusão desta monografia. á todos os amigos do curso que tornaram está etapa mais fácil e divertida. Obrigada por todos os momentos e materiais compartilhado, aprendi muito com vocês.

5 RESUMO A ancoragem esquelética temporária (AET) é de fundamental importância no tratamento ortodôntico. Esses dispositivos de ancoragem têm conquistado espaço dentro da prática ortodôntica, por serem de fácil instalação, depender menos da cooperação do paciente e possibilitar uma máxima ancoragem. Dentre eles a miniplaca tem recebido um grande destaque, por permitir tratamentos que antes eram impossíveis de serem realizados com as técnicas convencionais, com isso cirurgias ortognáticas puderam ser evitadas e, muitos tratamentos que antes eram de difícil execução puderam ser solucionados. No entanto, o seu comportamento biomecânico ainda é uma área pouco estudada. Com o método do elemento finito (MEF) esses estudos tornaram-se viáveis e de extrema precisão. Portanto, o objetivo deste trabalho de revisão de literatura foi estudar a utilização do MEF para a avaliação mecânica das miniplacas. Palavras-chave: ortodontia, procedimentos de ancoragem ortodôntica, análise de elemento finito, fenômeno biomecânico.

6 ABSTRACT The temporary skeletal anchorage (TSA) is of fundamental importance in orthodontic treatment. These anchoring devices have conquered space within the orthodontic practice, because they are easy to install, less dependent the cooperation from the patient and they allow a maximum anchorage. Among them the miniplate has received a major highlight for allowing treatments than before were impossible to be performed with conventional techniques, with it orthognathic surgery could be avoided and many treatments that before were previously difficult to implement could be solved. However, their behavior Biomechanical remains an area little studied. With the finite element method (FEM), these studies have become feasible and highly accurate. Therefore, the aim of this work was, through a literature review, to study using of miniplates as TSA, checking their applications in the orthodontic treatment and the use of the FEM for its mechanical assessment. Keywords: Orthodontics, Orthodontic Anchorage Procedures, Finite Element Analysis, Biomechanical Phenomena.

7 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA DISCUSSÃO CONCLUSÃO REFERÊNCIAS...20

8 8 1. INTRODUÇÃO A ancoragem dentária é uma das grandes preocupações do tratamento ortodôntico, pois os dentes são movimentados respondendo à uma força. Portanto, sem um adequado elemento de ancoragem, dificulta-se o controle dos movimentos indesejados. O recurso de ancoragem esquelética temporária (AET) representou um grande avanço na Ortodontia, tratamentos complexos tornaram-se mais simples e previsíveis, a duração dos tratamentos diminuiu e, em alguns casos, as cirurgias ortognáticas puderam ser evitadas. Dentre esses dispositivos, as miniplacas têm se apresentado como uma alternativa segura e eficiente apresentando uma maior estabilidade perante as outras técnicas, sendo indicada em situações que necessitam de aplicação de forças ortodônticas mais intensas, casos de movimentações dentária complexas com ausência de múltiplos dentes, pacientes com altura facial anterior aumentada e cuja intenção é a intrusão de dentes posteriores e rotação anti-horária da mandíbula, dentre outras. ¹, ², ³ Vários métodos têm sido utilizados para avaliar o desempenho das miniplacas. Dentre as principais metodologias, pode-se destacar: modelos fotoelásticos; estudos com laser holográfico; modelos matemáticos analíticos; análises experimentais em humanos e/ou animais e análises matemáticas como o Método dos Elementos Finitos (MEF). 4,5 Em sua maioria, os métodos convencionais apresentam limitações como à incapacidade de criar modelos semelhantes à estrutura dentária, inabilidade de calcular precisamente a distribuição da tensão e compressão e ocorrência de falhas durante o controle do tipo de movimento. 4,6,7 O MEF é um método matemático, no qual um meio contínuo é discretizado em elementos que mantém as propriedades de quem os originou. Possui a capacidade de modelar matematicamente estruturas complexas com geometrias irregulares de tecidos naturais e artificiais, bem como modificar os parâmetros de sua geometria. Com isso, torna-se possível a aplicação de um sistema de forças em qualquer ponto e/ou direção, promovendo, assim, informações sobre o deslocamento e o grau de tensão provocado por essas cargas ao elemento dentário ou o tecido analisado. Sendo considerado um método confiável e preciso no estudo do desempenho mecânico-estrutural de sistemas mecânicos. 4

9 9 Portanto, propõe-se por meio de uma revisão de literatura, estudar a utilização do MEF para a avaliação mecânica das miniplacas.

10 10 2. REVISÃO DE LITERATURA Com o objetivo de avaliar, por meio do MEF, as propriedades biomecânicas de um novo desenho do sistema placa/parafuso de ancoragem ortodôntica, Veziroglu et al., (2008) projetaram um modelo tridimensional (3D) da região posterior da maxila incluindo o pilar zigomático, onde simularam quatro modelos de miniplacas. Destas, duas eram placas convencionais habitualmente usados na prática clínica e duas eram as placas desenhadas para este estudo. Foi aplicado ao sistema 200g de força estática, horizontal e com direção anteroposterior. Para determinar a distribuição de forças foram avaliados os valores de tensão e de deformação elástica, sobre a placa, sobre os parafusos e sobre o osso. Em todos os modelos os valores mais elevados de tensão e deformação foram notados sobre o parafuso inferior. Concluíram que a alteração na configuração da placa não afetou a distribuição de tensões e que são necessários novos desenhos de placa para tentar mudar o local de aplicação de força, conseguindo assim uma melhor distribuição desta força. Utilizando-se de experimento em cães, Kim et al. em 2008, compararam a miniplaca com a ancoragem dento-suportada convencional para o fechamento de espaço ortodôntico. Para isto, extraíram quatro pré-molares de oito cães Beagle adultos. No lado utilizado como controle, os pré-molares foram retraídos contra os outros dentes e, no lado experimental, foi utilizada a miniplaca como ancoragem. A retração foi realizada com mola de NiTi ativada cerca de 10 a 15mm, resultando em uma magnitude de força de 150 a 200g. Foram medidos e avaliados três parâmetros: fechamento linear; inclinação e perda de ancoragem. No grupo controle, um terço do fechamento de espaços foi devido ao deslizamento dos dentes de ancoragem e, no grupo experimental, o fechamento do espaço foi alcançado quase inteiramente pelo movimento dos dentes. Em um tempo experimental de 12 semanas, das 16 miniplacas instaladas, apenas uma apresentou mobilidade, resultando em uma taxa de sucesso de 94%. Através destes resultados concluíram que as miniplacas fornecem ancoragem praticamente absoluta.

11 11 Estudando as percepções dos cirurgiões sobre os procedimentos da técnica cirúrgica para a instalação e a remoção da miniplaca para ancoragem esquelética temporária, Cornelis et al. em 2009, instalaram 200 miniplacas em 97 pacientes como complemento do tratamento ortodôntico. Pacientes e cirurgiões responderam a questionários após a cirurgia de colocação e remoção da miniplaca. Quinze miniplacas precisaram ser removidas previamente. A queixa principal dos pacientes foi o inchaço. A complexidade cirúrgica foi considerada de muito fácil a moderadamente fácil. Na remoção a maioria das miniplacas estavam estáveis, com muito pouco ou nenhum osso recobrindo as placas e nenhuma inflamação. No entanto, pelo menos, mais da metade dos parafusos exibiram leve a moderada resistência a remoção. Consideraram a cirurgia de colocação da miniplaca um procedimento fácil e relativamente curto, apesar de precisar de rebatimento de retalho, pode ser realizado sob anestesia local, sem complicações, e pode ser considerada um auxiliar seguro e eficaz para o tratamento ortodôntico. Sakima et al., (2009), descreveram um novo sistema de miniplacas denominado Sistema de Apoio Ósseo (SAO ) para Mecânica Ortodôntica. Este sistema foi especialmente desenvolvido para ancoragem esquelética, consiste de: miniplaca; parafusos monocorticais e um adaptador (ADV) que se encaixa na haste transmucosa da miniplaca. Este sistema possibilita a utilização simultânea de mecânicas e dispositivos ortodônticos diversos, como cantiléver, alças para verticalização de molares, alças retangulares e fios rígidos. A presença de tubos permite a utilização de dispositivos da Técnica do Arco Segmentado de Burstone. Molas de níquel-titânio ou aço, e elásticos, podem ser engatados/inseridos nos ganchos. Concluíram que este sistema possibilita a aplicação de todas as mecânicas utilizadas nos outros tipos de miniplaca, e ainda permite um melhor controle da movimentação ortodôntica requerida. Preocupados com o efeito da carga ortodôntica sobre a estabilidade da miniplaca e sobre a densidade mineral óssea (DMO) em torno dos parafusos que suportam essas miniplacas, Cornelis et al. em 2010, instalaram e estudaram o efeito duas miniplacas em cada quadrante da mandíbula de dez cães. Após duas semanas de cirurgia foram instaladas molas de níquel-titânio entre as miniplacas do quadrante superior e entre os dois quadrantes inferiores contralateral, gerando uma força de

12 12 125g. As miniplacas dos outros quadrantes permaneceram não carregadas e foram consideradas controles. A taxa de sucesso de ancoragem, definida como a porcentagem de miniplacas que permaneceram estáveis no final da experiência, foi de 53%. Sendo significantemente maior na maxila (70%) do que na mandíbula (38%). Não foram observadas diferenças significativas entre as miniplacas carregadas e não carregadas. Não foram encontradas diferenças significativas na DMO em torno dos parafusos em nenhum dos grupos. Concluíram que o carregamento ortodôntico não parece aumentar o risco de mobilidade nem de melhorar a densidade óssea, dificultando a remoção da miniplaca. Tradem et al., (2011), realizaram uma pesquisa com o objetivo de avaliar a resistência das miniplacas à força ortopédica, verificando se ocorre deformação permanente do braço (haste transmucosa) após a aplicação destas forças. Foram testadas 36 miniplacas de três marcas comerciais diferentes, parafusaram as miniplacas num bloco de aço inoxidável, aplicaram força contínua de 0 a 100N numa direção vertical por meio de uma máquina universal de ensaio. Foi medido o nível de força em que ocorreu a deformação permanente. O braço da miniplaca foi estendido além do nível de força necessário para ancoragem ortodôntica. Foi usado a análise de flexão de Beam para determinar o limite de tensão de cada amostra e o módulo de elasticidade. As cargas no ponto de deformação inicial variaram de 1280 à 3000g, dependendo do tipo de miniplaca. O rendimento da Striker foi estaticamente menor do que o da KLS Martin e Synthes, as quais foram bem acima dos intervalos necessário para as forças ortopédicas. Concluíram que as três miniplacas são capazes de suportar forças ortopédicas e que as três marcas apresentam diferenças significativas nos valores do módulo de elasticidade, que foram menores do que os valores publicados pelos fabricantes. Com o objetivo de diminuir a distribuição de forças não homogêneas ao longo da miniplaca e do parafuso, Nalbantgil et al. em 2012, projetaram uma nova estrutura de miniplaca com picos na superfície em contato com o osso cortical. Compararam a distribuição de forças sobre o sistema recém-projetado de placaparafuso e sobre um sistema convencional. Para isto foi simulado no modelo tridimensional uma superfície óssea com 1,5 mm de espessura cortical, duas miniplacas recém-projetadas e uma convencional. Foi aplicado 200g de força na extremidade da miniplaca e foram avaliadas, por meio do método do elemento finito,

13 13 os efeitos consequentes sobre os parafusos e sobre o osso cortical. Observaram tensões notavelmente mais baixas, nos parafusos e no osso cortical em torno dos parafusos, na miniplaca recém-projetada quando comparada com a convencional. Concluindo que as miniplacas recém-projetadas com picos são altamente eficientes na redução da tensão sobre e em torno dos parafusos de fixação e que a força foi distribuída mais homogeneamente. Afirmaram que deve ser realizado estudos clínicos sobre a taxa de insucesso dessas novas miniplacas. Huang et al., (2012), analisaram, por meio do MEF, a tensão causada no osso pelo uso de miniplacas como ancoragem esquelética. Foram construídos em modelos tridimensionais (3D) blocos de ossos com miniplacas fixadas pelo sistema de parafusos. Foram simulados vários tipos de miniplacas, de quantidade de parafusos, de comprimentos dos parafusos, espessura do córtex e de direção e magnitude das forças. A placa em forma de I apresentou maiores valores de tensão no osso, seguido pela placa em L, Y e T. A tensão no osso diminuiu conforme aumentou a quantidade de parafusos, mas não apresentou mudanças no que se refere ao comprimento do parafuso. A tensão no osso aumentou conforme a espessura óssea diminuiu. A tensão no osso foi proporcional a magnitude de força (2, 4 e 6N) e o maior valor foi produzido quando realizado força fora do plano de força. Concluíram que quando placas em forma de T ou Y são utilizadas ou quando realizado força de tração, a tensão no osso diminui. A tensão óssea diminui quando a quantidade de parafusos aumenta e quando a espessura óssea aumenta. Além disso, ele diminui à medida que a magnitude de força diminui. Para o tratamento de pacientes com má oclusão de Classe II de Angle que apresentaram disfunção temporomandibular, Nelson et al. em 2012, introduziram uma nova mecânica (C-therapy). O objetivo foi realizar a retração do segmento anterior da maxila mantendo as dimensões verticais, sem interferir nos dentes posteriores. A retração da parte anterior da maxila foi feita com a instalação de uma miniplaca palatina amarrada a um retrator lingual e independente dos dentes posteriores da maxila. Para um bom controle da altura vertical anterior da mandíbula durante a retração, foi instalado uma miniplaca especial (C-tube) na área da sínfise mentoniana. Relataram o caso de uma paciente de 22 anos, com diagnóstico de má oclusão Classe II esquelética, biprotusão e com disfunção temporomandibular. Antes

14 14 do tratamento a paciente utilizou uma placa oclusal durante 8 meses, foi realizado a exodontia dos primeiros pré-molares superiores e segundos pré-molares inferiores, depois foi submetida a nova mecânica citada anteriormente (C- therapy). O período de tratamento total foi de 20 meses, finalizando o caso com Classe I de canino e de molar e overbite ideal. Concluíram que o sistema C-retractor e C-plate alcançaram a retração máxima dos dentes anteriores da maxila, e o C-tube alcançou controle vertical e sagital dos incisivos e molares inferiores. Cossetin et al., (2012), testaram a sensibilidade da técnica utilizada para a movimentação dentária quanto a exatidão do local de aplicação de forças avaliando o comportamento do tecido periodontal após a aplicação de uma ação externa e comprovar quais seriam as áreas de maior tensão geradas no periodonto, utilizandose o MEF em comparação aos resultados obtidos por meio de um modelo experimental in vivo em ratos. Para a análise do modelo experimental foi induzido o movimento dentário em 6 ratos, utilizando-se uma mola fechada de níquel-titânio fixada nos molares. Para a análise por meio do MEF, foi construído um modelo matemático simulando o molar de rato, contendo dente, osso e ligamento periodontal. Este modelo foi submetido a mesma força aplicada nas molas de níqueltitânio do experimento in vivo de 0,25 N. Os maiores focos de osteoclastos em atividade nos molares de ratos coincidiram com as áreas de deformações mais extensas do ligamento periodontal do modelo computacional. Demostrando que o MEF é uma ferramenta adequada ao estudo da distribuição das forças ortodônticas. Objetivando calcular a taxa de sobrevida clínica e a taxa de complicação de uma miniplaca com o dispositivo C-tubo, Lee et al. em 2013, realizaram o tratamento ortodôntico em 217 pacientes todos com a miniplaca C-tubo. Foram examinadas, neste estudo, um total de 341 miniplacas. O tempo de sobrevida foi medido pelo número de meses após a colocação da miniplaca. Foi considerado falha quando uma miniplaca teve que ser removida por causa de mobilidade, perda de inserção ou infecção. Analisaram o efeito das variáveis clínicas: sexo; idade; maxilar; local de colocação; higiene oral; afastamento do tubo; inflamação; formato da miniplaca; número de parafusos e comprimento do parafuso de fixação. Aplicaram o método de sobrevida de Kaplan-Meler e o modelo proporcional de risco de Cox. Das 341

15 15 miniplacas 14 falharam e 32 tiveram complicações. A taxa de sobrevida de 2 anos foi de 0.91 e a taxa de sucesso foi de O estado de higiene oral e experiência dos operadores tiveram uma significante associação com as taxas de complicação. Concluíram que a miniplaca C-tubo tem uma vantagem em termo de versatilidade de aplicação de força. Consideram a higiene oral como o fator mais importante ao colocar uma miniplaca. A experiência do operador foi considerada como o segundo fator mais importante para o sucesso.

16 16 3. DISCUSSÃO A Miniplaca tem sido muito utilizada como ancoragem esquelética temporária no tratamento ortodôntico. 1,5 Talvez um dos motivos para que a mesma seja utilizada, apesar de se tratar de um procedimento mais invasivo, é que sua instalação não é tão crítica em relação a proximidade ou contato com as raízes como ocorre com o mini-implante e, dessa forma, não afetando a sua estabilidade. Outra vantagem é que a miniplaca é mais versátil em relação a possibilidade de aplicação de diferentes inclinações das linhas de ação de força. No entanto, o seu comportamento biomecânico ainda é uma área pouco estudado 15. Diversas metodologias de estudo têm sido empregadas para avaliar tal comportamento, no entanto, segundo Lotti et al. 4, várias delas apresentam limitações, tais como inabilidade de calcular precisamente a distribuição da tensão e compressão, ocorrência de falhas durante o controle do tipo de movimento dentário, dificuldade de avaliação de todas as fases do movimento e a presença de grandes variações individuais dificultando a análise dos resultados. Trandem et al. 12 utilizaram-se do método experimental de deflexão em laboratório para avaliar a resistência da miniplaca a forças ortopédicas, todas as marcas comerciais analisadas apresentaram-se capazes de suportar tais forças. Entretanto as 3 marcas apresentaram diferenças significativas no módulo de elasticidade. Deduziram, que está diferença, era devido à distorção do teste, e os valores de rendimento real poderiam ser inferior, se medido isoladamente a curva de flexão. Com a introdução do MEF esses estudos se tornaram mais precisos e fáceis de serem reproduzidos. Reduziu o custo e o tempo de obtenção de resultados, além de poder controlar qualquer variável relacionada ao experimento. O MEF permite resolver problemas complexos redefinindo-o como a soma das soluções de uma série de problemas simples interligados. 4,6 Comparando os resultados do MEF e do estudo in vivo em ratos, Cossetin et al. 7 testaram o comportamento do tecido periodontal após a aplicação de uma força externa, encontraram resultados muito similares para os dois estudos, comprovando a eficiência do MEF.

17 17 Utilizando-se do MEF, Huang et al. 14 analisaram a tensão causada no osso pelo uso de diferentes desenhos de miniplacas como ancoragem esquelética, aquela em forma de I apresentou maior valores de tensão no osso, seguido pela placa em L, Y e T. Verificaram ainda que a tensão óssea diminui quando a quantidade de parafusos aumenta e quando a espessura óssea aumenta. No entanto, Veziroglu et al. 5 utilizando-se do MEF, avaliaram as propriedades biomecânicas de um novo desenho do sistema placa/parafuso onde simularam quatro modelos de miniplacas, embora tenham verificado que em todos os desenhos os valores mais elevados de tensão e deformação foram sobre o parafuso inferior, concluíram que a alteração na configuração da miniplaca não afetou a distribuição de tensões e que são necessários novos desenhos de miniplacas para tentar alterar o local de aplicação de força, conseguindo assim uma melhor distribuição dessas tensões. Devido as miniplacas terem sido projetadas para fixação de segmentos ósseos em cirurgia bucomaxilofacial e não serem necessariamente apropriadas para o tratamento ortodôntico, várias melhorias estão sendo propostas para tentar diminuir suas deficiências. 3 Nalbantgil et al. 13 projetaram uma nova estrutura de miniplaca com picos na superfície, conseguindo assim reduzir a tensão sobre e em torno dos parafusos de fixação. Em estudo in vivo em cães, realizado por Cornelis et al. 11, demonstraram que a aplicação de forças ortodônticas na miniplaca não aumentou o risco de mobilidade e não influenciou a densidade óssea. Com o intuito de permitir que diversas mecânicas possam ser utilizadas ao mesmo tempo em uma mesma miniplaca, o SAO descrito por Sakima et al. 10, acrescentaram um adaptador (ADV) encaixado na haste da miniplaca, possibilitando assim a utilização simultânea de mecânicas e dispositivos ortodônticos diversos. Para obter um bom controle da altura vertical anterior da mandíbula durante a retração, Nelson et al. 15, instalaram na região da sínfise mentoniana uma miniplaca especial (C-tube). Para a instalação da miniplaca é necessário bom conhecimento cirúrgico, no estudo realizado por Lee et al. 16, a experiência do operador foi considerada como o segundo fator mais importante para o sucesso da miniplaca, uma vez que o procedimento é mais invasivo quando comparado à instalação dos mini-implantes, sendo necessário um deslocamento de retalho. Apesar disto, no estudo realizado

18 18 por Cornelis et al. 9, onde cirurgiões responderam questionários após a cirurgia da miniplaca, o nível de dificuldade foi considerado de muito fácil a moderadamente fácil. O índice de sucesso da utilização das mini-placas demonstrado nos trabalhos é bastante satisfatório, acima de 90%. 8,9,16 No entanto, em trabalho realizado em cães, Cornelis et al. 9 afirmaram que apenas 53% permaneceram estáveis após o experimento, sendo 70% na maxila e 38% na mandíbula, sendo a mobilidade relacionada com a inflamação gengival. Provavelmente, parte do porcentual de insucesso na utilização de miniplacas seja devido às inflamações e/ou infecções decorrentes da falta de controle da higiene bucal e dificuldade de cicatrização da mucosa circunjacente à haste transmucosa da miniplaca.

19 19 4. CONCLUSÃO Após a revisão de literatura relacionada às aplicações das miniplacas no tratamento ortodôntico e à avaliação do seu desempenho por meio do MEF, pode-se concluir que: 1. Dentre os dispositivos utilizados para a obtenção de ancoragem temporária em Ortodontia, provavelmente as miniplacas apresentam a maior estabilidade; 2. O MEF mostrou-se muito eficiente para avaliação mecânica tanto das miniplacas e dos parafusos de fixação, quanto dos tecidos circunjacentes; 3. Existem poucos trabalhos científicos sobre avaliação mecânica das miniplacas. Portanto, novos trabalhos deveriam ser realizados utilizando o MEF e seus resultados testados em estudos clínicos prospectivos randomizados.

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