Effects of different force directions of intra-oral skeletally anchored maxillary protraction on craniomaxillofacial complex, in Class III malocclusion: a 3D finite element analysis

ABSTRACT

ABSTRACT Introduction: The intra-oral skeletally anchored maxillary protraction (I-SAMP) has been found to be an effective treatment for skeletal Class III malocclusion. Objective: This in-silico study explored the influence of different force directions of intra-oral skeletally anchored Class III elastics on the changes in craniomaxillofacial complex, using finite element analysis. Methods: A 3-dimensional (3D) finite element model of the craniomaxillofacial bones including circummaxillary sutures was constructed with high biological resemblance. A 3D assembly of four miniplates was designed and fixed on the maxilla and mandible of the finite element model. The model was applied with 250g/force at the miniplates at three angulations (10°, 20°, and 30°) from the occlusal plane, to measure stress and displacement by using the ANSYS software. Results: The zygomaticotemporal, zygomaticomaxillary, and sphenozygomatic sutures played significant roles in the forward displacement and counterclockwise rotation of maxilla and zygoma, irrespective of the angulation of load application. The displacements and rotations of the zygomatico-maxillary complex decreased gradually with an increase in the angle of load application between miniplates from 10° to 30°. The mandible showed negligible displacement, with clockwise rotation. Conclusions: The treatment effects of I-SAMP were corroborated, with insight of displacement patterns and sutures involved, which were lacking in the previously conducted 2D and 3D imaging studies. The prescribed angulation of skeletally anchored Class III elastics should be as low as possible, since the displacement of zygomatico-maxillary complex increases with the decrease in angulation of the elastics.

RESUMO

RESUMO Introdução: A protração maxilar com ancoragem esquelética intrabucal (I-SAMP) tem sido considerada um tratamento efetivo para a má oclusão esquelética de Classe III. Objetivo: O presente estudo in silico avaliou, usando análise de elementos finitos, a influência de diferentes direções da força dos elásticos Classe III com ancoragem esquelética intrabucal nas mudanças no complexo craniomaxilofacial. Métodos: Um modelo de elementos finitos tridimensional (3D) dos ossos craniomaxilofaciais, incluindo as suturas circum-maxilares, foi construído, com alta semelhança biológica. Uma montagem 3D de quatro miniplacas foi projetada e fixada na maxila e na mandíbula do modelo de elementos finitos. O modelo foi aplicado com o uso de 250g/força nas miniplacas em três angulações (10°, 20° e 30°) em relação ao plano oclusal, para medir as tensões e os deslocamentos, usando o programa ANSYS. Resultados: As suturas zigomaticotemporal, zigomaticomaxilar e esfenozigomática desempenharam um papel significativo no deslocamento para anterior e na rotação anti-horária da maxila e do zigoma, independentemente da angulação na aplicação da força. Os deslocamentos e as rotações do complexo zigomático-maxilar diminuíram gradualmente com o aumento de 10° para 30° no ângulo de aplicação da força entre as miniplacas. A mandíbula apresentou deslocamento irrelevante, com rotação no sentido horário. Conclusões: Os efeitos do tratamento com I-SAMP foram corroborados, com um vislumbre dos padrões de deslocamento e das suturas envolvidas, que não existiam nos estudos com imagens 2D e 3D realizados anteriormente. A angulação dos elásticos Classe III ancorados esqueleticamente deve ser a menor possível, visto que o deslocamento do complexo zigomático-maxilar aumenta com a redução no ângulo dos elásticos.