Artigo Inédito Construção de Sistemas de Forças Eficientes em Ortodontia Construction of Efficient Force Systems in Orthodontics Alcion Alves Silva Resumo O planejamento ortodôntico considera além da minuciosa coleta de dados visando a elucidação do fator etiológico causador da maloclusão, a construção e supervisão de um sistema de forças eficiente para efetivar a movimentação dentária e corrigir a desarmonia dentoesquelética. Os membros, conexões e suportes que formam o aparelho ortodôntico são considerados como estrutura e máquina, podendo assim serem submetidos a uma análise estrutural. A avaliação de procedimentos rotineiros durante a montagem e ativação do aparelho ortodôntico sugere que o profissional deve estar atento, evitando a geração de fricção, estresse e deformação na estrutura do sistema de forças, fator que restringe a movimentação dos elementos dentários conforme o planejamento inicial, assim, a escolha do modelo de aparelho utilizado para o caso e dos materiais empregados em cada fase do tratamento se faz fundamental. Além da complexidade física no planejamento de um sistema de forças, o ortodontista deve considerar ainda que as forças produzidas irão se dissipar em tecidos biológicos que respondem favoravelmente ou não de acordo com a magnitude, direção e tempo dos estímulos impostos. Introdução O aparelho ortodôntico é similar a um sistema de forças no qual um corpo exerce ação sobre outro através de tração ou empuxo caracterizado pela presença de magnitude, duração e ponto de aplicação. Sendo composto por dois elementos, estrutura e máquina, pode ser submetido à uma análise estrutural. As forças são controladas através de membros e conexões, porém a principal origem da força não é uma fonte externa, embora a mastigação e a oclusão possam contribuir para a geração destas. A entrada de força é originada pela deformação da configuração passiva do sistema, induzindo forças internas as quais podem ser transmitidas à diferentes regiões. A saída de forças do sistema está ligada à coroa dos dentes para produzir movimentos no periodonto, o qual suporta o aparelho. Dentro deste conceito de bioengenharia, a proposição deste estudo é rever a rotina ortodôntica, identificando falhas que podem existir no planejamento e na conduta do profissional em relação à montagem e ativação do sistema de forças ortodôntico que podem levar ao insucesso na movimentação dentária. Embora este artigo trate de uma pesquisa exploratória, tendo como característica a dificuldade de generalização, este não estará restrito por esta limitação, pois as considerações abordadas poderão ser extrapoladas para a maioria dos sistemas de forças ortodônticos. Unitermos: Bioengenharia; Sistema de forças; Análise estrutural. Alcion Alves Silva - Prof. da Disciplina de Métodos de Ciência e Pesquisa UFPR - Professor da Disciplina de Clínica Integrada - UFPR - Mestre em Ortodontia - Membro pesquisador do Centro Integrado Orto-Cirúrgico Revista Dental Press de Ortodontia e Ortopedia Facial - V.4, Nº 2 - MAR./ABR. - 1999 41
FIGURA 1 - Braquetes formam a estrutura do sistema de forças. Estrutura e máquina Estrutura e máquina são dois conceitos empregados em biofísica que favorecem ao profissional a visualização sobre o comportamento das forças geradas nos sistemas de forças ortodônticos. Estrutura é a parte de um sistema com função de sustentação do mesmo, é o componente estático, estacionário. No sistema de forças ortodôntico os braquetes são um exemplo de estrutura, pois tem a função de sustentação dos demais componentes (FIG. 1). Máquina é a parte do sistema com função de transmissão de forças, é o componente dinâmico do sistema. Qualquer elemento ativo do aparelho ortodôntico exemplifica o conceito de máquina, como elásticos, arcos e molas, (NIKOLAI 12, 1985), (FIG. 2). Todos os sistemas de força projetados obedecem a estes conceitos e estão sujeitos aos princípios de conservação, perda de energia e fadiga do material. FIGURA 2 - Máquina representada por elementos que geram (arco, elásticos) e transmitem a força (jig, amarrilho). FIGURA 3 - Fios menos calibrosos favorecem o movimento dental. Fios mais calibrosos favorecem o surgimento de pontos de contato com os braquetes. Movimento dentário e desenvolvimento de fricção Quando a movimentação dentária, durante as várias fases do tratamento, é planejada de forma a requerer movimentação do arco no interior do slot, fricção entre fio e slot é produzida, dependendo da magnitude desta, o deslizamento do arco poderá ser impedido ou dificultado, resultando em perda de ancoragem ou bloqueio do movimento dentário, (KAPILA & SACHDEVA 7, 1989), (FIG. 3). A resistência criada pela fricção pode ser prevista e controlada, considerando certas condições: a) material utilizado para a confecção do arco, liso ou trançado, o segundo tipo produz fricção mais elevada; os fios mais recentes a base de níquel-titânio permitem a construção de sistemas livres de fricção (GIANELLY 5, 1998). b) características do arco e tamanho do braquete, de acordo com os movimentos que serão executados em cada fase do tratamento, evitando o aumento de fricção entre os componentes do sistema. O planejamento deve considerar fases diferentes para movimentos diferentes obser- Revista Dental Press de Ortodontia e Ortopedia Facial - V.4, Nº 2 - MAR./ABR. - 1999 42
vando que a análise de deslocamento do dente obedece a três dimensões espaciais (MELING 11, 1998); c) ligadura adequada. A resistência friccional pode variar conforme o tipo de ligadura utilizada, sendo geralmente maior para as elastoméricas em relação às metálicas, porém variando conforme as características do sistema e seus componentes (SHIVAPUJA & BERGER 14, 1994; MELING 11, 1998) (FIG. 4). Deformação e fadiga do material durante as ativações do aparelho ortodôntico A geometria dos fios ortodônticos e a composição das ligas utilizadas para sua fabricação tem importância fundamental no comportamento destes durante a utilização no tratamento. Os braquetes (estrutura) e os membros e conexões (máquina) são induzidos à deformação e a fadiga durante a ativação do aparelho ortodôntico. Falhas na estrutura ou na máquina (quebra de braquetes e de arcos) podem ocorrer quando existe fadiga do material por deformação excessiva, prejudicando a transmissão de forças, como conseqüência há instabilidade estrutural ou mesmo o colapso desta. Existem quatro tipos principais de deformação que podem ocorrer na estrutura atômica dos materiais utilizados em ortodontia quando o sistema de forças é ativado. Segundo ALMEIDA et al 1, 1996, geralmente mais de um tipo de deformação ocorre simultaneamente (FIG. 5 e 6). a) deformação do tipo extensão; b) deformação do tipo compressão; c) deformação do tipo cisalhamento; d) deformação do tipo torção; Na fabricação dos fios ortodônticos inicialmente os componentes da liga são fundidos em forma de linguote apresentando estrutura atômica granular equiaxial (presença de grãos poligonais de diâmetro semelhante), a segunda fase, denominada laminação, transforma o linguote em barra, reorganizando a estrutura atômica à uma forma fibrilar alongada. Após, o diâmetro é reduzido pelo processo de trefilação, no qual o metal passa através de troquéis com orifícios de diâmetro decrescente resultando em estrutura mais fibrilar, confe- FIGURA 4 - A observação de um conjunto de detalhes é significante para a excelência na ortodontia. Ligas elásticas aumentam a fricção, ligas metálicas favorecem o movimento. Compressão Extensão Cisalhamento FIGURA 5 - Tipos de deformação num fio ortodôntico submetido ao curvamento, (ALMEIDA et al 1996). FIGURA 6 - Deformação tipo torção num fio ortodôntico. Revista Dental Press de Ortodontia e Ortopedia Facial - V.4, Nº 2 - MAR./ABR. - 1999 43
FIGURA 7 - Arco tratado (amarelo palha) e não tratado. Tratamento térmico fornece energia (térmica) possibilitando uma reorganização dos átomos, liberando a tensão interna do fio criada pelo trabalho a frio. A B C FIGURA 8 - A, B) Desvio cervical evitando exposição do arco à forças da mastigação. C) Arco sem desvio cervical sujeito às forças externas ao sistema. rindo várias das propriedades desejáveis nos fios ortodônticos, (KHIER 8,1988). Durante cada fase da fabricação, o fio é submetido ao tratamento térmico no qual até três fases podem ser observadas: recuperação, recristalização e crescimento granular, para evitar o encruamento (endurecimento do metal devido ao entrelaçamento das imperfeições lineares formadas na fase de trefilação), os fios sofrem alterações específicas frente a este processo, variando conforme a liga. O tratamento térmico também é realizado pelo ortodontista, quando o fio é aquecido num tempo e temperatura determinados, (KHIER et al 8 1988; LINO 10, 1970), visando reduzir tensões residuais geradas pelo trabalho manual (dobras para confecção de alças, curvamentos, torções). Sempre que o ortodontista realiza dobras no arco (trabalho mecânico à frio), tensões internas são geradas, o que leva a fadiga do material podendo resultar em fendas e fraturas, pois quando inserido nos slots nova deformação irá ocorrer, adicional àquela produzida pela dobra do fio. É necessário a eliminação de parte da tensão residual, função do tratamento térmico, (SKINNER 16, 1993), (FIG. 7). Considerando que a energia não pode ser criada nem eliminada de um sistema, mas sim transformada, quando o fio ortodôntico é aquecido, a energia térmica gerada permite uma reorganização dos átomos do material (transformação da energia térmica em energia cinética), de forma que a energia interna final seja próxima à energia inicial e não muito maior. Caso ocorra superaquecimento do fio durante este procedimento, ocorrerá nucleação dos grãos retornando à forma equiaxial inicial e as propriedades do fio são perdidas, (TAVARES 17, 1996). O comportamento das forças também pode varia de acordo com algumas características técnicas presentes no modelo de aparelho utilizado. MELING et al 11, 1998, salienta que o comportamento das forças pode ser diferente para cada paciente devido à variação do ta- manho dos dentes e das bases ósseas, conseqüentemente, variando a distância interbraquetes. Técnicas que exigem montagem seqüencial ou arcos que atravessam regiões edêntulas, principalmente na porção posterior do arco inferior, possuindo um desvio para cervical, evitam exposição às forças externas, provenientes da mastigação, (BRADLEY 3, 1981), que resultam em fadiga do material devido à presença de tensões repetidas sobre o arco, ocorrendo abaixo da carga máxima de trabalho permissível, gerando estresse tanto no arco como no sistema de suporte representado pelos braquetes,(davidovitch 4 1997), (FIG. 8). Entrada e saída de forças do sistema O sistema de forças ortodôntico está sujeito a mais fatores do que os planejados pelo profissional, apesar de não programados estes podem ser previstos. Existem cinco tipos de forças que podem atuar num sistema: Revista Dental Press de Ortodontia e Ortopedia Facial - V.4, Nº 2 - MAR./ABR. - 1999 44
A FIGURA 9 A e B - Forças parafuncionais geradas pela musculatura do paciente necessitam assistência fonoaudiológica. B a) forças ortodônticas, produzidas pelo sistema, planejadas ou previstas pelo profissional; no caso das forças de reação; b) forças ortopédicas, também planejadas ou previstas pelo ortodontista, produzidas pelos aparelhos miotônicos ou miodinâmicos; c) forças funcionais, periódicas, produzidas pela mastigação, fonação, respiração, postura, não são programadas, mas num bom planejamento devem ser previstas; d) forças parafuncionais, são periódicas, produzidas por hábitos parafuncionais, num diagnóstico detalhado podem ser previstas; e) forças fisiológicas, existem continuamente, não são programadas mas podem ser previstas, são as forças de erupção dental. O planejamento e previsão das forças que atuam sobre o sistema é fundamental, (LINDAUER 9, 1997), para evitar recidivas pós-tratamento, como nos casos de forças parafuncionais e funcionais, quando através do planejamento inicial o profissional planeja a reeducação através da intervenção da fonoaudiologia, redirecionando forças indesejáveis (FIG. 9). A saída da força do sistema ortodôntico deve se dar, em sua maior parte, através da movimentação dos dentes, dissipandose pelo sistema de suporte periodontal, (ISAACSON 13, 1997). O ciclo de ativação ortodôntica envolve uma série de fases características a serem consideradas: a) ativação inicial, é a fase onde a magnitude da força planejada é máxima, logo após a instalação do sistema de forças esta começa a decrescer. Os arcos com alta memória molecular podem manter a constância da força por um período maior; (HARRIS et al 6, 1988). b) decréscimo associado à deformação alvéolo-ligamentar, ocorre imediatamente após a ativação do sistema de forças. Existem erros potenciais reconhecidos nos modelos de transferência de forças entre dente e ligamento periodontal, entre os quais: - o ligamento periodontal transmite forças de tensão e a substância amorfa de pressão, principalmente, porém há um limite de deformação compressiva do ligamento, o qual ultrapassado, a resistência ao movimento dental aumenta substancialmente; - força superior a 25-30 gr/cm 2 pode interferir na nutrição tecidual reduzindo a atividade celular até a hialinização. Esta interrupção do suprimento sangüíneo, se ocorrer, não deve ser uma constante durante a terapia, além da restrição do movimento dental, pode ocasionar danos ao sistema de suporte biológico. As áreas de tensão não afetam a nutrição substancialmente; c) remodelação a longo prazo, o remodelamento alveolar resulta em redistribuição de forças no ligamento periodontal, não só em relação à magnitude com gradual desativação mas também em padrão com remodelação biológica do ligamento (BHASKAR 2, 1978); - o sistema de forças tem ação não só sobre os dentes, mas também sobre outras estruturas do complexo craniofacial; d) reativação, marca o início de um novo ciclo, quando a força que entrou no sistema já se dissipou, havendo necessidade de nova ativação. Característica dos sistemas auto-limitantes, os quais possuem um tempo de atividade após o qual permanecem estáticos. São Revista Dental Press de Ortodontia e Ortopedia Facial - V.4, Nº 2 - MAR./ABR. - 1999 45