Determination of the Mechanical Properties of the Periodontal Ligament in a Uniaxial Tensional Experiment

Abstract.Background: The periodontal ligament is a soft connective tissue which joins the tooth root to the alveolus and thus provides for anchorage of the tooth in the alveolar bone. Due to its composition of elastic and viscous components, this tissue displays viscoelastic material properties.In a previous study [4], in vitro experiments revealed typical viscoelastic material properties of the periodontal ligament in samples from pig mandibles. These properties included force relaxation, hysteresis, and dependence on loading history. Material and Methods: Based on those experiments, a dependence of tooth displacement on loading velocity was registered in the present study and the stress-strain behavior of the periodontal ligament was examined until the tissue ruptured. For this purpose, segments of the periodontal ligament taken from anterior teeth from the pig mandible were tested in a purpose-developed clamping fixture in a uniaxial tensional experiment. Result: It was found that the initial phase of the stress-strain curve in particular was dependent on loading velocity and that the shape of the hysteresis curve was subject to a variation in loading velocity. The stress-strain behavior of the periodontal ligament was characterized, divided into several phases, and the elastic modulus of the initial and the linear phase of the curve was determined at different loading velocities. Conclusion: Knowledge of the material properties of the periodontal ligament is fundamental to an understanding of orthodontic tooth movement and thus to selection of an optimal force system for orthodontic treatment.Zusammenfassung.Hintergrund: Das Parodontalligament ist ein weiches Bindegewebe, das die Zahnwurzel mit der Alveole verbindet und somit für die Verankerung des Zahnes im Alveolarknochen sorgt. Aufgrund seiner Zusammensetzung aus elastischen und viskosen Komponenten zeigt dieses Gewebe ein viskoelastisches Materialverhalten.In einer vorangehenden Studie [4] wurden anhand von “In-vitro”-Experimenten an Messproben aus dem Schweinekiefer bereits typische Eigenschaften des viskoelastischen Materialverhaltens des Parodontalligaments nachgewiesen. Dazu gehörten die Kraftrelaxation, die Hysterese und die Abhängigkeit von der Belastungsgeschichte. Material und Methoden: Aufbauend auf den vorangehenden Experimenten wurde in dieser Studie die Abhängigkeit der Zahnauslenkung von der Belastungsgeschwindigkeit nachgewiesen sowie das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Parodontalligaments bis zum Bruch untersucht. Dazu wurden Segmente aus dem Parodontalligament von Frontzähnen des Schweinekiefers in einem speziell entwickelten Zangenaufbau im einachsigen Zugversuch getestet. Ergebnis: Es stellte sich heraus, dass vor allem die initiale Phase der Spannungs-Dehnungs-Kurve von der Belastungsgeschwindigkeit abhing und auch die Form der Hysteresekurve einer Variation der Belastungsgeschwindigkeit unterlag. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Parodontalligaments wurde charakterisiert, in mehrere Phasen eingeteilt und der Elastizitätsmodul der initialen und linearen Phase unter verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten bestimmt. Schlussfolgerung: Eine Kenntnis der Materialeigenschaften des Parodontalligaments ist wesentlich für das Verständnis der orthodontischen Zahnbewegung und damit für die Auswahl eines optimalen Kraftsystems zur kieferorthopädischen Behandlung.