background image

Biological and Biomechanical Aspects of Tooth Movement 

  Tooth movements can be divided into three types: 

• Physiologic. 

• Pathologic (Pathologic migration). 

• Orthodontic. 

The  term  physiologic  tooth  movement    means  primarily  the  slight  tipping  of  the 

functioning  tooth  in  its  socket  and  secondarily,  the  changes  in  tooth  position  that 

occur in young persons during and after tooth eruption. 

The  minor  changes  in  tooth  position  observed  in  growing  persons  and  adults  are 

usually  called  tooth  migration.  These  are  generally  associated  with  periodontal 

breakdown or/and altered force levels in the dental arches. 

 Orthodontic  teeth  movement  is  based  on  the  observation  that  if  prolonged  light 

pressure  is  applied  to  a  tooth,  tooth  movement  will  occur  as  the  bone  around  the 

tooth remodels. Bone is selectively removed in some areas and added in others. In 

essence, the tooth moves through the bone carrying its attachment apparatus with 

it, as  the  socket  of the  tooth  migrates. Because  the bony  response is  mediated  by 

the periodontal ligament (PDL), tooth movement is primarily a PDL phenomenon. 

Theories of orthodontic tooth movement 

1-   Pressure tension theory. 

2-   Piezoelectric theory. 

3-   Hydrodynamic theory(blood flow theory). 

 


background image

            Pressure  tension  theory:  This  is  the  simplest  and  the  most  widely 

accepted, according to this theory, Whenever a tooth is subjected to an orthodontic 

force,  it  results  in  areas  of  pressure  and  tension  in  PDL.  The  alveolar  bone  is 

resorbed  whenever  the  root    causes  compression  of  the  periodontal  ligament,  i.e. 

the  pressure  side.  New  alveolar  bone  is  deposited  whenever  there  is  a  stretching 

force acting on the periodontal ligament fibers, i.e. the tension side. 

 

Hydrodynamic  theory  (blood  flow  theory)  :  According  to  this  theory, 

tooth  movement  occurs  as  a  result  of  alterations  in  fluid  dynamics  in  the 

periodontal  ligament.  When  an  orthodontic  force  is  applied,  it  results  in 

compression of the periodontal ligament on the pressure side. The blood vessels in 

this region also get compressed and this results in their stenosis. The blood vessels 

beyond  the  stenosis  balloon  up,  resulting  in  the  formation  of  aneurysms.  The 

formation of aneurysms causes the blood gases to escape into the interstitial fluid 

thereby creating a favorable environment for bone resorption. 

         Bone  bending,  piezoelectric  or bioelectric  theory:  The deformation of  the 

crystal structure produces a flow of electric current as electrons are displaced from 

one part of the crystal lattice to another. piezoelectric signal is created in response 

to the force, The possible sources of electric current are: Collagen, hydroxyapatite 

and Collagen hydroxyapatite interface. 

When the force is applied on a tooth, the adjacent alveolar bone bends.  the bends 

in  the  bone  cause  small  electrical  charges  which  activate  osteoblasts  and 

osteoclasts  resulting  in  the  resorption  and  deposition  needed  to  move  a  tooth 

through  bone  .  Areas  of  concavity  are  associated  with  negative  charge  and  cause 

bone deposition. Areas of convexity are associated with positive charge and cause 

bone resorption .  


background image

Pressure–Tension Effects in the Periodontal Ligament Space 

         sustained pressure against a tooth causes the tooth to shift position within the 

PDL space, compressing the  ligament in some areas while stretching it in others. 

The mechanical effects on cells within the ligament cause the release of cytokines, 

prostaglandins,  and  other  chemical  messengers.  In  addition,  blood  flow  is 

decreased where the PDL is compressed, while it is maintained or increased where 

the  PDL  is  under  tension.  These  alterations  in  blood  flow  also  quickly  create 

changes in the chemical environment. For instance, oxygen levels decrease on the 

compressed  area  and  carbon  dioxide  (CO2)  levels  increase,  while  the  reverse 

occurs  on  the  tension  side.  These  chemical  changes,  would  stimulate  cellular 

differentiation and activity.  

In essence, this view of tooth movement shows three stages: 

(1)  initial  compression  of  tissues  and  alterations  in  blood  flow  associated  with 

pressure within the PDL,  

(2) the formation and/ or release of chemical messengers. 

(3)  activation  of  osteoblasts  and  osteoclasts,  leading  to  remodeling  of  alveolar 

bone. 

Phases of tooth movement 

  Three distinct but overlapping stages of tooth movement. They are: 

• Initial phase 

• Lag phase 

• Post-lag phase. 


background image

Initial phase of tooth movement 

Application of a force to the crown of a tooth leads to tooth movement within the 

alveolus and initially a narrowing of the PDL, causing compression in limited areas 

and  by  that  changes  vascular  circulation  and  cell  differentiation,  this  will  occur 

within  a  few  hours  of  the  application  of  the  orthodontic  force.  The  cells  undergo  

rupture  and  dissolution  of  the  cell  membrane  leaves  only  isolated  nuclei  

(pyknosis)  and  this  is  the  first  indication  of  hyalinization.  Precursor  cells 

(undifferentiated  cells)  along  the  alveolar  bone  wall  differentiate  into  osteoclasts 

and fibroblasts after 30 to 40 hours. 

Hyalinization phase 

At the pressure side, the degradation of the cells and vascular structures gives the 

tissue  a  glasslike  appearance  under  the  light  microscope,  termed  hyalinization,   

represents  a  sterile  necrotic  area,  characterized  by:  degeneration,  elimination  of 

destroyed tissue, and establishment of a new tooth attachment.  

 hyalinization process stops when the adjacent alveolar bone has been removed by 

osteoclastic  bone  resorption.  The  necrotic  structures  are  removed,  and  the 

hyalinized area repopulated by cells. The areas of the hyalinized compressed tissue 

are eliminated by an invasion of cells and blood vessels from the undamaged PDL. 

The hyalinized tissue is ingested by macrophages and is removed completely. 

Lag phase 

The lag phase is characterized by very little or no tooth movement. It is the phase 

where  the  cellular  components  around  the  area  of  interest  get  activated  to  cause 

tooth movement.    

 


background image

Post lag phase (Secondary phase of tooth movement) 

    The PDL space is now wider than before the start of the treatment and the tissue 

under repair is rich in cells. On the pressure side, the osteoclastic bone resorption 

continues with a direct bone resorption.  The main feature is the deposition of new 

bone on the alveolar surface from which the tooth is moving (the tension side). A 

‘pre-bone’  protein  matrix,  or  osteoid,  is  produced  by  osteoblasts  on  the  tension 

side. The periodontal fibers become embedded in the osteoid, which continuously 

mineralizes  to  bone  tissue  in  its  deeper  layer.  The  bone  deposition  on  the 

periodontal surface on the tension side is synchronous with the resorption process, 

which  occurs  on  the  pressure  side  of  the  alveolar  bone  and  tends  to  maintain  the 

dimension of the supporting bone tissue. 

Mechanical aspects of tooth movement 

Application of a force on the crown of the tooth results in tooth movement, which 

depends on type, magnitude, direction and duration of the force.  

Two different types of orthodontic forces exist: continuous and intermittent. Fixed 

appliance  systems  are  based  on  light  continuous  forces  from  an  arch-wire. 

However, a continuous  force may be interrupted , when it is no longer active and 

has to be reactivated. Such an interruption has certain advantages as the tissues are 

given chance for reorganization, which is favorable for further tissue changes when 

the force is again activated. An intermittent force acts during a short period and is 

induced primarily by removable functional appliances. 

The magnitude of forces is important for the tissue response. A light force over a 

certain  distance  moves  a  tooth  more  rapidly  and  with  fewer  injuries  to  the 

supporting  tissues  than  a heavy  force. The  purpose of  applying  a  light  force is  to 

increase  cellular  activity  and  to  prepare  the  tissues  for  further  changes.  Also  it 


background image

results  in  less  discomfort  and  pain  to  the  patient.  Unmyelinated  nerve  endings 

persist in the hyalinised tissue, and are compressed during the initial stage. 

The  duration, is  a more  crucial  factor  than  the  magnitude of  the  force  regarding 

adverse  tissue  reactions  Thus,  a  long  treatment  period  in  an  aging  bone  structure 

should be avoided. 

The  direction  of  forces  will  result  in  different  kinds  of  tooth  movements,  often 

presented in terms of tipping, torque, bodily, intrusion, extrusion and rotation. 

Center of resistance: a point at which resistance to movement can be concentrated. 

The center of resistance is at the approximate midpoint of the embedded portion of 

the root (halfway between the root apex and the crest of the alveolar bone).                           

 

Moment : a measure of the tendency to rotate an object around some point. If the 

line of action of an applied force does not pass through the center of resistance, a 

moment is necessarily created. Not only will the force tend to translate the object, 

it  also  will  tend  to  rotate  the  object  around  the  center  of  resistance.  This  is 

precisely the situation when a force is applied to the crown of a tooth. 

 


background image

Couple:  two  forces  equal  in  magnitude  and  opposite  in  direction  but  not  on  the 

same  line.  The  result  of  applying  two  forces  in  this  way  is  a  pure  moment.  A 

couple  will  produce  pure  rotation,  spinning  the  object  around  its  center  of 

resistance. 

Center of rotation : the point around which rotation actually occurs when an object 

is being moved. 

Optimal force levels for different tooth movements 

Type of tooth movement                       Approximate force (grams) 

Tipping                                                                 50–75 

Bodily movement                                               100–150 

Root uprighting (torque)                                     75–125 

Extrusion                                                             50–100 

Intrusion                                                               15–25 

Types of orthodontic tooth movements 

1-  Tipping: Controlled and uncontrolled tipping, 

Tipping  is the easiest type of tooth movement. When a force is applied to a crown 

of a tooth, the tooth tips around its center of rotation, located in the middle of the 

root, close to its center of resistance. This force causes movements of the crown 

and apex in opposite directions. This movement, is called uncontrolled tipping 

(removable orthodontic appliances) and it is usually clinically undesirable. 


background image

While  in  controlled  tipping  center  of  rotation  located  near  root  apex  lead  to 

movement  of  crown  only  with  minimum  apex  movement  (fixed  orthodontic 

appliances). 

 

2-  Translation (bodily movement), 

translation  of  a  tooth  is  the  movement  in  a  straight  line  of  that  tooth,  without 

changing  the  angle  During  translation,  all  the  points  on  the  tooth  move  the  same 

distance, and they therefore have the same velocity. A force having a line of action 

passing  through  the  center  of  resistance  causes  translation  of  the  tooth.  During 

this movement, the center of resistance moves along the line of action of the force. 

 

 

3- 

Rotational  movements:  Rotation  of  the  tooth  around  its  long  axis.  To 

achieve  this  type  of  tooth  movement,  the  application  of  couple  force  is  required 

(forces from two opposite direction). 

.

 

 


background image

4- 

 

Torque:  Torque is a tipping movement of the root apex,  It cannot be achieved 

with removable orthodontic appliances (only fixed orthodontic appliances). 

 

5-  Intrusion and extrusion of teeth: vertical movement of individual tooth, or teeth 

segments, requires some form of attachment onto the tooth surface on which the 

force can act. 

 

 

  Retention Period an Relapse 

After  finishing  of  the  orthodontic  treatment,  the  retention  period  should  start. 

Retention  prevents  the  teeth  from  returning  to  their  original  position  of 

malocclusion  (relapse).  Orthodontic  correction  will  remain  stable  if  the  teeth  are 

aligned into a normal occlusion and provided with adequate retention.   

The length of the retention period is controversial. Some recommend 2 to 5 years, 

whereas others have suggested a minimum of 10 years or longer. 

 


background image

retention is necessary for three major reasons : 

• The gingival and periodontal tissues are affected by orthodontic tooth movement 

and require time for reorganization when the appliances are removed. 

•  The teeth  may  be  in  an inherently  unstable  position  after  the  treatment, so  soft 

tissue pressures constantly produce a relapse tendency. 

• Changes produced by growth may alter the orthodontic treatment result. 

A relapse is defined as ‘a return towards pre-treatment conditions’, and hence is an 

event of periodontal tissue reaction or dentofacial developmental changes. 

Causes of relapse 

1. Failure to remove the cause of malocclusion. 

2. Incorrect diagnosis and failure to properly plan treatment. 

3. Lack of normal cuspal interdigitation. 

4. Arch expansion, laterally and/or anteriorly. 

5. Incorrect arch size and harmony. 

6. Incorrect axial inclinations. 

7. Improper proximal contacts. 

  

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ayado Al-Qaissy
المشاهدات: لقد قام 25 عضواً و 647 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل