Microdamage in Cortical Bone due to the Overtightening of Orthodontic Microscrews

Abstract

Background and Aim:

The possibility of skeletal anchorage achieved with mini-implants has greatly broadened the spectrum of treatment modalities in orthodontics. Aim of this study was to investigate the microstructural alterations in cortical bone due to overtightening of orthodontic microscrews during the insertion procedure.

Material and Methods:

After having prepared three fresh pelvic porcine bone segments and removed the periosteum, we drilled 25 holes 1 mm in diameter into the segments. Using a screwdriver, we then manually inserted a total of 20 orthodontic microscrews from the Aarhus Anchorage System (1.5 mm × 7.7 mm) into the holes: ten screws were inserted about 6.7 mm deep, leaving the last 1 mm of the thread visible outside the bone. The other ten screws were initially inserted 7.7 mm (until the screw thread was no longer visible and the screw neck was slightly touching the cortex). Those last ten screws were then tightened by another quarter-turn. Five drill-holes were left empty, serving as a reference.

The three pelvic bone segments were sawed into 25 smaller bone-specimens, 20 segments containing one screw and five with only the drill-hole. They were cortically cross-sectioned and processed for scanning electron microscope analysis. All the microcracks in the peri-implant bone tissue at least 50 μm long were documented for each sample. Statistical analysis was carried out according to the “number of cracks”, “accumulated length of all cracks”, “maximum radius of crack alteration”, and “longest crack”. The specimens were then divided into two subgroups according to cortical thickness.

Results:

The group of overtightened implants showed higher values in the following categories: number of cracks, accumulated length of all cracks, maximum radius of crack alteration, and longest crack in comparison to the reference samples without screws and the group of less deeply-inserted implants. However, we identified no correlation between cortical thickness and the degree of microdamage.

Conclusions:

We demonstrate that there was more microstructural damage in cortical bone due to overtightening through deep insertion of orthodontic microscrews than occurred at the lower insertion depth. Extensive osseous microdamage may detract from the stability of immediately-loaded microscrews and implants due to the bone-remodeling processes initiated by microdamage. The subject of just how serious this potential risk is should be addressed in future studies.

Zusammenfassung

Hintergrund und Ziel:

Die skelettale Verankerung mit Hilfe von Mikroschrauben ist zu einem beliebten Hilfsmittel in der kieferorthopädischen Therapie geworden. Mit dieser Studie sollte untersucht werden, inwieweit das „Überdrehen“, also eine übermäßig tiefe Insertion von Mikroschrauben, die mikrostrukturelle Integrität des periimplantären kortikalen Knochens beeinflusst.

Material und Methodik:

An drei präparierten Schweinebeckenknochen wurden 25 Vorbohrungen mit einem Durchmesser von 1,0 mm vorgenommen. Anschließend wurden insgesamt 20 Mikroschrauben vom Typ „Aarhus Mini Implant“ (1,5 mm × 7,7 mm) mit einem Schraubendreher in die vorgebohrten Löcher inseriert: Zehn Schrauben wurden etwa 6,7 mm tief inseriert, sodass etwa 1 mm des Gewindeanteils außerhalb des Knochens verblieb. Weitere zehn Schrauben wurden so weit inseriert, dass das Schraubengewinde vollständig im Knochen eingedreht war und der Schraubenkragen den Knochen berührte. Anschließend wurden diese zehn Schrauben nochmals um eine viertel Drehung weiter in den Knochen eingedreht. In die restlichen fünf Pilotbohrungen wurden zu Referenzzwecken keine Schrauben inseriert.

Aus den Knochensegmenten wurden 25 Knochenproben hergestellt, von denen 20 eine Schraube und 5 lediglich die Vorbohrlöcher enthielten. Diese Proben wurden dann zu kortikalen Querschnittspräparaten weiterverarbeitet und für die Analyse im Raster-Elektronenmikroskop aufbereitet. Anschließend wurden die Mikrorisse im periimplantären Knochen ab einer Länge von 50 μm registriert. Die statistische Auswertung erfolgte anhand der Variablen „Rissanzahl“, „Summe der Risslängen“, „Radius der maximalen Rissausbreitung“ und „längster Riss“. Die Proben wurden in zwei Gruppen nach Dicke der Kortikalis eingeteilt.

Ergebnisse:

Verglichen mit den Referenzproben ohne Schrauben und den Proben mit 6,7 mm tief inserierten Schrauben zeigte sich ein erhöhtes Ausmaß an Mikrotraumen in allen oben genannten Variablen bei den Proben mit tiefer inserierten Schrauben. Ein Zusammenhang zwischen der Kortikalisdicke und dem Ausmaß an Mikrotraumen konnte nicht nachgewiesen werden.

Schlussfolgerungen:

In dieser Studie zeigte sich bei „Überdrehen“ von Mikroschrauben in Form einer besonders tiefen Insertion ein Anstieg der Mikrotraumen in kortikalem Knochen gegenüber einer weniger tiefen Insertion. Eine umfangreiche Mikrotraumatisierung des Knochens könnte ein Risiko für die Stabilität sofort post insertionem belasteter Schrauben und Implantate aufgrund des durch Mikrotraumen induzierten Knochenumbaus darstellen. Die Dimension dieses Risikopotenzials sollte in zukünftigen Studien ermittelt werden.