Stress distribution according to the design of slot cover in aesthetic passive self-ligating bracket: a finite element analysis

Abstract

Since aesthetic passive self-ligating brackets fabricated entirely of ceramic are widely adopted, it is crucial to evaluate the stress distribution related to fracture due to the inherent properties of material itself. This study compares the stress distribution and their characteristics of three finite element models: two reverse-engineered models of existing representative brackets with different design of slot cover, keyhole type (bracket A) and drawer type (bracket B), and a newly designed dovetail type (bracket C), which is modified for better rotational control, fracture resistance, and cost efficiency with a simplified structure. Tensile stress distribution on the areas of interest under specific compressive load was compared, and then visualized and numerically analyzed simulating several clinical situations divided into extreme and relatively general conditions with orthodontic archwires. The body of the bracket C showed lower tensile stress, especially on the slider, whereas its clip exhibited higher and broader tensile stress distribution. Simulating with archwire, the maximal tensile stress of the body of three brackets showed similar results under extreme vertical displacement. However, under extreme horizontal displacement, the body of bracket C exhibited lower maximal tensile stress, while the clip showed higher. And under general horizontal displacement, the body of bracket C presented lowest maximal tensile stress. The clip of bracket A exhibited lower maximal tensile stress rather than the body, while bracket B showed similar maximal tensile stress on the body and the clip. Tensile stress on the body and the clip results from bracket and archwire interactions is relative and reciprocal, with no definitive answer on which is more clinically critical. When choosing a bracket, factors beyond structural stability such as efficiency of tooth movement, bond strength, aesthetic, patient comfort, and cost could be considered. Therefore, what is more important for clinicians is to recognize this characteristics of structural stability of the brackets under specific conditions and then apply appropriate archwire or mechanics at each stages of the treatment. For developer, using this finite element models to predict structural stability in advance can save significant time and cost compared to relying on conventional intuition-based or trial-and-error process.

전체 세라믹으로 제작된 심미적 자가 결찰 브라켓이 널리 사용되면서, 소재 자체의 특성 상 파절과 연관된 응력 분포에 대한 평가가 필요하다. 덮개 형태가 다른 대표적인 브라켓 2종, 즉 keyhole type (브라켓 A)과 drawer type (브라켓 B)을 각각 역 모델링한 유한 요소 모델과, 임상적으로 회전 조절 등에 유리할 만큼 충분한 폭경을 가지면서도 구조적으로 파절 저항 및 제작 비용 절감에 유리하도록 수정 설계한 dovetail type (브라켓 C)의 유한 요소 모델, 총 3종의 응력 분포 및 그 특징을 시각화 및 수치화하여 비교 평가하였다. 임의의 압축 하중에 의해 주요 관심 부위에 발생하는 인장 응력을 비교 하였으며, 실제 교정용 호선과의 상호 작용을 통해 발생하는 최대 인장 응력을 극단적인 수직 변위와 수평 변위로 나누어 조사하였고, 일반적인 임상 상황과 유사한 조건의 수평 변위를 보다 세분화하여 조사하였다. 임의의 압축 하중에 의한 인장 응력의 분포를 상호 비교한 결과, 브라켓 C의 본체, 특히 슬라이더 부위의 낮은 인장 응력 분포가 확인 되었고, 상대적으로 클립은 인장 응력이 다소 높고 분포 영역도 넓은 경향을 보였다. 한편, 호선을 이용하여 임상 조건을 구현했을 때, 극단적인 수직 변위에서는 브라켓 3종 본체의 최대 인장 응력에서 큰 차이가 없었으며, 극단적인 수평 변위에서는 브라켓 C 본체의 최대 인장 응력이 낮았고, 반대로 클립의 최대 인장 응력은 높았다. 보다 일반적인 임상 조건의 수평 변위에서는 브라켓 C 본체가 가장 낮은 최대 인장 응력을 보였다. 브라켓 A는 본체보다 클립이 더 낮은 최대 인장 응력을, 브라켓 B는 본체와 클립이 거의 유사한 결과를 보였다. 브라켓과 호선의 상호 작용으로 발생한 본체와 클립의 응력은 상호적일 수 있으며 따라서 어느 부위의 구조적 안정성이 더 중요한지 절대적 우위는 없다. 또한 브라켓 선택 시에는 단순히 구조적 안정성 외에도 치아 이동의 효율성, 접착 강도, 심미성, 편안함 및 비용 등 많은 요소들이 동시에 고려된다. 그러므로 이러한 다양한 조건에서의 파절과 연관된 구조적 안정성을 잘 이해하고, 각 치료 단계에서 이를 고려하여 적절한 호선을 선택하여 교정력을 적용하는 과정이 중요하다고 하겠다. 한편, 본 유한 요소 모델을 통한 연구 방법은 브라켓의 개발 및 수정 과정에서 경험적 근거나 시행착오를 반복하던 기존의 방식 대신, 미리 응력 분포를 확인하고 계산하여 구조적 안정성을 예상하고 보완할 수 있는 구조물 등을 추가 설계하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.