Experiments to Determine the Material Properties of the Periodontal Ligament

AbstractPhysiology of the Periodontal Ligament: The periodontal ligament is a soft biological tissue that controls tooth movement under physiological loads by joining tooth and alveolar bone. Its various components differ in their material properties. Their spatial configuration and interaction are responsible for the reaction of the tissue in a loading situation. Due to the combination of fluid and elastic elements the periodontal ligament shows a viscoelastic behavior typical of soft biological tissues. It is characterized by non-linearity and time dependency, and additonally depends on loading history. Behavior under External Loads: In orthodontics, external loads are applied to the tooth crowns using orthodontic appliances. Since stresses and strains in the periodontal tissue, caused by the initial tooth movement, stimulate alveolar bone remodeling and thus orthodontic tooth movement, knowledge of the material properties of the periodontal ligament is fundamental to selection of an optimal force system for targeted tooth movement. Own Experiments: For this reason, typical properties of the viscoelastic material behavior of the periodontal ligament were tested experimentally in the present study, using samples from pig mandibles. This enabled the properties of force relaxation and hysteresis of this tissue, both of which depend on loading history, to be verified. Conclusion: The experimental results allow charcterization of the tissue and thus contribute to an understanding of the biomechanics of tooth displacement under externally applied loads.ZusammenfassungPhysiologie des Parodontalligaments: Das Parodontalligament ist ein biologisches Gewebe, das als Verbindungselement zwischen Zahn und Kieferknochen die Bewegung eines Zahnes unter einer phsiologischen Belastung kontrolliert. Es setzt sich aus mehreren, in Bezug auf die Materialeigenschaften sehr verschiedenen Komponenten zusammen. Dabei sind die räumliche Anordnung und das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten verantwortlich für die Reaktion des Gewebes auf eine äußere Belastung. Aufgrund der Kombination von flüssigen und elastischen Elementen hat das Parodontalligament ein viskoelastisches Materialverhalten, wie es für weiche biologische Gewebe typisch ist. Dieses ist gekennzeichnet durch Nichtlinearität und Zeitabhängigkeit und zeigt zudem eine Abhängigkeit von der Belastungsgeschichte. Belastungsverhalten: Eine äußere Belastung wird auch in der Kieferorthpädie in Form von kieferorthopädischen Behandlungselementen auf die Zahnkronen aufgebracht. Da die durch die initiale Zahnbewegung verursachten Spannungs- und Dehnungsverteilungen im Parodontalgewebe einen Anreiz zum Umbau des Alveolarknochens und damit zur orthodontischen Zahnbewegung geben, ist für die Wahl eines optimalen Kraftsystems für eine gezielte Zahnbewegung die Kenntnis der Materialeigenschaften des Parodontalligaments grundlegend. Eigene Untersuchungen: Es wurden deshalb in dieser Arbeit experimentell an Messproben aus dem Schweinekiefer in vitro typische Eigenschaften des viskoelastischen Materialverhaltens des Parodontalligaments untersucht. Für dieses Gewebe konnten die Eigenschaften der Kraftrelaxation und der Hysterese nachgewiesen werden, die beide zusätzlich eine Abhängigkeit von der Belastungsgeschichte zeigten. Schlussfolgerung: Die experimentellen Ergebnisse dienen zur Charaktersierung des Gewebes und damit zum Verständnis der Biomechanik der initialen Zahnauslenkung unter einer äußeren Belastung.