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. 2024 Jan;85(1):1-12.
doi: 10.1007/s00056-022-00398-3. Epub 2022 May 20.

Comparison between microporous and nanoporous orthodontic miniscrews : An experimental study in rabbits

Yueh-Tse Lee  1   2   3 , Eric Jein-Wein Liou  4   5   6 , Sinn-Wen Chen  7
Affiliations

Comparison between microporous and nanoporous orthodontic miniscrews : An experimental study in rabbits

Yueh-Tse Lee et al. J Orofac Orthop. 2024 Jan.

Abstract
in English, German

Purpose: Surface characteristics of orthodontic miniscrews might affect survival rates and removal torque values (RTVs). This experimental study aimed to clarify whether and why a microporous or nanoporous surface promotes higher survival rates and RTVs for orthodontic miniscrews.

Methods: Using a split-leg design, one set each of nonporous (sham control, n = 24) and microporous (control, n = 6), and three sets of nanoporous (experimental, n = 6 per set) miniscrews were implanted in the tibias of 12 New Zealand rabbits and immediately loaded with 1.5 N nickel-titanium coil springs for 12 weeks. The surface morphology, micropores, and nanotube diameters of the miniscrews were examined using scanning electron microscopy and field-emission scanning electron microscopy. The surface composition and thickness were determined using Auger electron spectroscopy. The survival rates and RTVs of each set were assessed.

Results: The nanoporous miniscrews had higher survival rates, RTVs (p < 0.001), and thicker nanotube oxide thicknesses (p < 0.001) than the nonporous and microporous miniscrews. The nonporous and microporous miniscrews had no nanotube structures. The surface oxide composition was titanium dioxide (TiO2). The threshold RTV, TiO2 thickness, and nanotube diameter of nanoporous miniscrews needed to promote the experimental survival rate to 100% was determined to be 6.6 ± 0.8 N-cm (p < 0.05), 22.5 ± 4.8 nm (p < 0.05), and 17.6 ± 2.3 nm or above, respectively.

Conclusion: Nanoporous surfaces promoted higher survival rates and RTVs than microporous miniscrews. This could be due to TiO2 nanotube structures with thicker oxide layers in nanoporous miniscrews.

Zusammenfassung: ZIELSETZUNG: Die Oberflächeneigenschaften kieferorthopädischer Minischrauben können die Überlebensrate und das Drehmoment beim Entfernen (RTV) beeinflussen. Diese experimentelle Studie sollte klären, ob und warum eine mikroporöse oder nanoporöse Oberfläche höhere Überlebensraten und RTVs für kieferorthopädische Minischrauben fördert.

Methoden: Unter Verwendung eines Split-Leg-Designs wurden je ein Satz nichtporöser (Scheinkontrolle, n = 24) und mikroporöser (Kontrolle, n = 6) sowie 3 Sets nanoporöser (experimentell, n = 6 pro Set) Minischrauben in die Tibiae von 12 Neuseelandkaninchen implantiert und sofort 12 Wochen lang mit 1,5-N-Nickel-Titan-Spiralfedern belastet. Die Oberflächenmorphologie, Mikroporen und Nanoröhrchen-Durchmesser der Minischrauben wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Oberflächenzusammensetzung und -dicke wurden mit Auger-Elektronenspektroskopie bestimmt. Die Überlebensraten und RTVs jedes Sets wurden bewertet.

Ergebnisse: Die nanoporösen Minischrauben hatten höhere Überlebensraten, RTVs (p < 0,001) und dickere Nanoröhrenoxiddicken (p < 0,001) als die nichtporösen und mikroporösen Minischrauben. Die nichtporösen und mikroporösen Minischrauben wiesen keine Nanoröhrenstrukturen auf. Die Oberflächenoxidzusammensetzung war Titandioxid (TiO2). Der Schwellenwert für RTV, TiO2-Dicke und Nanoröhrchendurchmesser der nanoporösen Minischrauben, der erforderlich ist, um die experimentelle Überlebensrate auf 100% zu steigern, wurde mit 6,6 ± 0,8 N-cm (p < 0,05), 22,5 ± 4,8 nm (p < 0,05) bzw. 17,6 ± 2,3 nm oder darüber bestimmt.

Schlussfolgerung: Nanoporöse Oberflächen förderten höhere Überlebensraten und RTVs als mikroporöse Minischrauben. Dies könnte auf die TiO2-Nanoröhrenstrukturen mit dickeren Oxidschichten in nanoporösen Minischrauben zurückzuführen sein.

Keywords: Nanotubes; Oxide thickness; Removal torque value; Survival rates; Titanium dioxide.

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