Effects of prestretch on stress relaxation and permanent deformation of orthodontic synthetic elastomeric chains

Abstract

The purpose of this study was to investigate an appropriate degree of prestretch for orthodontic synthetic elastomeric chains focusing on time-dependent viscoelastic properties. Orthodontic synthetic elastomeric chains of two brands (Ormco, Dentsply) were prestretched to 0 (control), 50, 100, 150, and 200% of the original length in one and three cycles, and the hysteresis areas of the obtained stress-strain curves were determined. Acrylic plates were employed to maintain constant strain during the experiment. A total of 180 samples were classified into nine groups according to brand, and their stresses and permanent deformations were measured immediately after prestretch (0 h), after 1 h and 24 h, and after 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 weeks. The relationship between stress relaxation and permanent deformation was investigated for various degrees of prestretch, and the estimated stress resulting from tooth movement was calculated. The degree of prestretch and the stress relaxation ratio exhibited a strong negative correlation, whereas no correlation was found between the degree of prestretch and the average normalized permanent strain. The maximal estimated stress was observed when prestretch was performed in three cycles to 200% of the original length. Although prestretch benefited residual stress, it did not exhibit negative effects such as permanent deformation. The maximal estimated stress was observed at the maximal prestretch, but the difference between prestretch and control groups decreased with time. In general, higher residual stresses were observed for product B (Dentsply) than for product A (Ormco), but this difference was not clinically significant.

이 연구의 목적은 교정용 체인형 합성 고무 탄성재의 시간 의존적인 점탄성 성질에 기초하여 교정 치료에 적절한 prestretch 정도를 알아보기 위함이다. 두 가지 종류의 교정용 체인형 합성 고무 탄성재((Ormco, Dentsply)를 조사하였으며, Prestretch 정도의 구분은 교정용 체인형 합성 고무 탄성재의 원래 길이의 0 % (대조군), 50 %, 100 %, 150 % 및 200 %로 prestretch를 1회 및 3회 실시하여 UTM (Universal testing machine)을 이용하여 각 prestretch 조건 당 응력-변형률 곡선에서 이력현상에 의한 상승 곡선과 하강 곡선 사이의 면적으로 구분하였다. 동일한 응력에 해당하는 길이를 측정 한 후에 실험 기간 동안에 일정한 변형을 유지하기 위해 미리 제작된 아크릴 판에 해당 길이만큼 핀 사이의 간격을 고정시켜 교정용 체인형 합성 고무 탄성재를 적용하고, 일정 온도를 유지한 인공 타액에 8주 동안 보관하였다. 총 180 개의 시료를 제조사 별로 10개씩 9개의 그룹으로 분류하고, prestretch 직후, 한 시간, 24시간, 일주일 간격으로 8주 동안의 응력완화와 영구변형을 측정하였다. Prestretch의 정도에 따른 응력 완화와 영구 변형의 상관 관계를 구하고 치아 이동을 반영한 응력을 계산하여 분석하였다. Prestretch의 정도 (degree of prestretch)와 응력 완화율 (stress relaxation ratio)은 강한 음의 상관 관계를 보였다(product A: correlation coefficient = –0.906, R2 = 0.821, P < 0.001; product B: correlation coefficient = –0.929, R2 = 0.864, P < 0.001). Prestretch의 정도와 정규화된 영구 변형의 평균(average of the normalized permanent strain)은 상관관계를 보이지 않았다. 추정 응력(estimated stress)의 최대값은 원래 길이의 200%로 3회 당겼을 때 나타났다. Prestretch 행위로 인하여 잔류 응력 (residual stress)의 이득이 있었으며, 이는 영구변형과 같은 단점을 증가시키지는 않았다. 추정 응력(estimated stress)의 값은 최대 prestretch에서 가장 높았으나 시간이 지날수록 대조군과의 차이는 감소하였다. 대체적으로 A사(Ormco)의 제품보다 B사(Dentsply)의 제품의 잔류 응력이 더 높았으나 임상적으로 유의한 차이를 보이지는 않았다.