The influence of cyclic shear fatigue on the bracket-adhesive complex

Abstract

A commonly encountered problem in orthodontics is the bond failure of brackets during treatment. The forces applied in the oral environment are more likely to be of a cyclical nature, well below the ultimate shear strengths reported in in vitro studies. Isolated or initial powerful impacts are seldom. The failure over time is much likely to be the result of fatigue. Powerful impacts may occur and lead to failure, particularly if the system has undergone fatigue loading.<br /> The purpose of this study was to evaluate the influence of cyclic shear fatigue on the bracket-adhesive complex.<br /> Brackets with laser structured bases (Discovery®, Dentaurum) and with foil mesh bases (Ultra–Minitrim®, Dentaurum) were bonded on silanised stainless steel flat plates with a two-component (No-Mix Bonding System, Dentaurum) and a four-component (Con-cise™, 3M Unitek) chemically-curing adhesive. The specimens were aged in distilled water at 37°C for 3 days. One group of the specimens was used as control to determine the ultimate shear bond strength without any fatigue procedure. The brackets of the second group underwent fatigue testing with a testing machine Zwick 1445 (Zwick GmbH & Co) according to the staircase method for 1,000 cycles. The survived fatigued specimens of the second group were subjected to shear strength testing. Comparisons between the values taken for fatigued and nonfatigued specimens were made to extrapolate the effect of fatigue on the shear bond strength. The shear fatigue limit and the fatigue ratio were calculated. The bracket bases were examined and photographed under 25x magnification with a scanning electron microscope. The distribution of the remaining adhesive on the bracket bases was analysed numerically and visually.<br /> Shear fatigue of the bracket-adhesive complex for 1,000 cycles showed a variable influence on the shear strength of the bracket-adhesive complex, which was strongly dependent on the material combinations tested. Fatigued specimens showed an increase in shear strength of 8% in material group A (bracket Discovery® / adhesive No-Mix) and a decrease of 10 % in material group D (bracket Ultra-Minitrim® / adhesive Concise™). In material groups B (bracket Ultra-Minitrim® / adhesive No-Mix) and C (bracket Discovery® / adhesive Concise™) no statistically significant differences between the fatigued and nonfatigued specimens were found. The fatigue ratio was about 60 % for material groups A, B & C and 67 % for material group D, indicating a better fatigue behaviour of the combination Ultra-Minitrim® / Concise™. Among the nonfatigued specimens, the laser-structured bracket Discovery® showed about 59 % higher shear strength than the foilmesh bracket Ultra-Minitrim®. The four-component adhesive Concise™ showed about 66 % higher shear strength than the two-component adhesive No-Mix.<br /> Concerning the distribution of residual resin on the bracket bases, fatigue was found to have different influence depending on the fracture mode tested. Fatigue played the same role on the area of favourable fracture mode (sum of fracture between bracket / resin and cohesive fracture) independently of the material combinations tested, but statistical significant differences were not always present. The area of favourable fracture mode was not significantly different between the nonfatigued and fatigued specimens. Yet when examining the fatigued specimens that failed without completing 1,000 cycles in comparison to the ones that survived and were sheared after that, a significant larger area of favourable fracture was found in groups B, C and D. In group D the area was also significantly larger compared to the nonfatigued specimens. The most favourable fracture mode, the cohesive fracture, was also fatigue-dependant, but fatigue had a different influence depending on the material groups. In groups A and B no significant influence of fatigue was found. Fatigue showed a significant increase in cohesive fracture in group D and the failed-during-fatigue specimens showed a smaller area than the survived ones. In material group C the failed-during-fatigue specimens showed a significantly higher cohesive fracture that the survived ones – in contrast to group D. Concerning the nonfatigued specimens, the influence of the bracket type on the distribution of residual resin was the same for both fracture modes and depended on the material combinations. Bracket 2 (Ultra-Minitrim®) showed a higher favourable and most favourable fracture mode than bracket 1 (Discovery®) when tested with adhesive 2 (Concise™) and no differences with adhesive 1 (No-Mix). The influence of the adhesive type was not the same for the two fracture modes and depended on the material combinations. Adhesive 1 and 2 showed no difference in the distribution of the favourable fracture area with either bracket. The most favourable fracture area was lower for adhesive 2 when tested with bracket 2 and no differences were found with bracket 1.<br /> In general, fatigue had a variable influence on shear strength and on the distribution of the residual resin on the bracket base. Its influence depended on the material combinations tested. The distribution of the residual resin on the nonfatigued specimens was also material-dependant. Only the shear strength of the nonfatigued specimens showed similar behaviour for all combinations tested. The staircase method can provide an easily utilised, reproducible experimental protocol for the standardisation of fatigue studies, if the influence of a load near the fatigue limit is to be evaluated.

<strong>Der Einfluss der Ermüdung auf die Haftfestigkeit des Bracket-Adhäsiv-Verbundes bei Abscherversuchen</strong><br /> Ein häufiges Problem in der Kieferorthopädie ist der Verlust von Brackets während der Behandlung. Intraoral auftretende Kräfte sind üblicherweise kleiner als die Haftfestigkeiten, die in in vitro-Studien für den Bracket/Adhäsiv/Zahnschmelz-Verbund angegeben werden und treten wiederkehrend auf. Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass ein Versagen als eine Folge von zyklischer Ermüdung auftreten kann. Zusätzliche isolierte Belastungen auf einzelne Verbünde können zu einem Versagen der Klebung führen, insbesondere wenn das System vorher durch die mechanische Wechsellast ermüdet wurde.<br /> Das Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der Ermüdung auf den Bracket/Adhäsiv-Verbund in Abscherversuchen zu ermitteln.<br /> Brackets mit laserstrukturierter Basis (Discovery®, Dentaurum) und mit Netzbasis (Ultra-Minitrim®, Dentaurum) wurden auf flachen silanisierten Edelstahlplatten mit einem Zwei- und einem Vier-Komponenten chemisch härtenden Kunststoff geklebt (No-Mix Bonding System, Dentaurum sowie Concise™, 3M Unitek). Die Proben wurden in destilliertem Wasser bei 37°C für 3 Tage gealtert. Ein Teil der Proben wurde als Kontrollgruppe benutzt, um die Haftfestigkeit bei Abscherversuchen zu ermitteln. Der zweite Teil wurde in eine Materialprüfmaschine Zwick 1445 (Zwick GmbH & Co) nach der Stufenmethode über 1000 Lastzyklen einer mechanischen Dauerlast ausgesetzt. Die überlebten Proben wurden abgeschert und deren Haftfestigkeit wurde mit der der Kontrollgruppe verglichen. Die Ermüdungsgrenze und deren Verhältnis zu der Haftfestigkeit wurden berechnet. Die Verteilung der Kunststoffreste auf den Bracketbasen wurde am Rasterelektronenmikroskop bei 25-facher Vergrößerung visuell und quantitativ beurteilt.<br /> Die Ermüdung über 1000 Zyklen bei Scherbelastung zeigte einen uneinheitlichen Einfluss auf den Bracket/Adhäsiv-Verbund, der stark von den verwendeten Materialkombinationen abhing. Ermüdete Proben zeigten eine 8 % höhere Scherhaftfestigkeit in Materialgruppe A (Bracket Discovery® / Adhäsiv No-Mix) und eine 10 % niedrigere Scherhaftfestigkeit in Materialgruppe D (Bracket Ultra-Minitrim® / Adhäsiv Concise™) verglichen mit den nicht ermüdeten Proben. In den Materialgruppen B (Bracket Ultra-Minitrim® / Adhäsiv No-Mix) und C (Bracket Discovery® / Adhäsiv Concise™) wurden keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen der Scherhaftfestikeit der ermüdeten und nicht ermüdeten Proben festgestellt. Das Verhältnis von Haftfestigkeit und Ermüdungsgrenze war ca. 60 % bei den Materialkombinationen A, B und C und ca. 67 % bei der Materialkombination D, was auf ein besseres Ermüdungsverhalten der Gruppe Ultra-Minitrim® / Concise™ hindeutet. Unter den nicht ermüdeten Proben zeigte die laserstrukturierte Basis von Discovery® eine ca. 59 % höhere Scherhaftfestikeit als die Netzbasis von Ultra-Minitrim®. Der Vier-Komponenten-Kunststoff Concise™ zeigte ca. 66 % höhere Haftfestigkeit als der Zwei-Komponenten-Kunststoff No-Mix.<br /> Auch auf die Verteilung der Kunststoffreste zeigte die Ermüdung einen stark variablen Einfluss, je nach Art des untersuchten Frakturmodus. Unabhängig von den getesteten Materialkombinationen zeigte die Ermüdung den gleichen Einfluss auf die Fläche der günstigen Frakturart (Summe aus Bruch des Verbunds zwischen Bracket und Kunststoff sowie kohäsiver Frakturfläche), jedoch konnte eine statistische Signifikanz nicht immer nachgewiesen werden. Es zeigte sich kein statistisch signifikanter Unterschied der Fläche dieser günstigen Frakturart zwischen den ermüdeten und den nicht ermüdeten Proben. Die ermüdeten Proben, die 1000 Zyklen nicht überlebt hatten, zeigten jedoch eine signifikant größere Fläche der günstigen Frakturart in Materialgruppen B, C und D im Vergleich zu den Proben, die 1000 Zyklen überlebt hatten. In der Gruppe D war diese Fläche größer auch im Vergleich zu den nicht ermüdeten Proben. Die bevorzugte Frakturart, die kohäsive Fraktur, war ebenfalls ermüdungsabhängig, jedoch war der Einfluss in den Materialgruppen stark schwankend. In den Materialgruppen A und B wurde kein signifikanter Einfluss der Ermüdung gefunden. Ermüdete Proben zeigten signifikant höhere kohäsive Frakturflächen in der Gruppe D und die nicht überlebten Proben zeigten eine signifikant kleinere Fläche als die überlebten. Im Gegensatz dazu zeigten die nicht überlebten Proben in der Gruppe C eine signifikant größere Fläche als die überlebten. Der Einfluss der Bracketbasis auf die Verteilung der Kunststoffreste bei den nicht ermüdeten Proben war materialabhängig aber gleich für beide Frakturarten. Das Bracket Ultra-Minitrim® zeigte eine signifikant höhere günstige und bevorzugte Frakturart als das Bracket Discovery® in Verbindung mit dem Adhäsiv Concise™ und keinen Unterschied mit dem Adhäsiv No-Mix. Der Einfluss des Adhäsives war materialabhängig und uneinheitlich. Beide Adhäsive zeigten keinen signifikanten Unterschied in Bezug auf die günstige Frakturart mit beiden Brackets. Die bevorzugte Frakturart war signifikant kleiner für den Kleber Concise™ in Kombination mit dem Bracket Ultra-Minitrim®. Beim Bracket Discovery® wurden keine Unterschiede gefunden.<br /> Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Ermüdung einen variablen Einfluss auf die Scherhaftfestigkeit und die Restkunststoffverteilung auf den Bracketbasen hatte. Der Einfluss der Ermüdung war stark materialabhängig. Die Verteilung der Kunststoffreste auf den nicht ermüdeten Proben war ebenfalls materialabhängig. Nur die Scherhaftfestigkeit der nicht ermüdeten Proben zeigte ein einheitliches Verhalten für alle getesteten Kombinationen. Die Stufenmethode bietet ein einfaches und reproduzierbares experimentelles Protokoll für die Standardisierung von Ermüdungsversuchen, wenn die Höhe der zyklischen Belastung in der Nähe der Ermüdungsgrenze liegen soll.