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Finite element analysis of TMJ disc and PDL stress in mandibular advancement device therapy for OSA - 15/07/26

Doi : 10.1016/j.ortho.2026.101210 
Dan Gan 1, Jiangwei Liao 1, Wenya Zhao 1, 2, Ruyue Qiang 3, Mingxin Zhang 4, Junjie Wu 1, ⁎
1 National Clinical Research Center for Oral Diseases, State Key Laboratory of Oral & Maxillofacial Reconstruction and Regeneration, Shaanxi Clinical Research Center for Oral Diseases, Department of Orthodontics, School of Stomatology, The Fourth Military Medical University, Xi’an, Shaanxi 710032, China 
2 Xi'an Daxing Hospital, No. 4999, Shanglin Road, Xi'an Economic and Technological Development Zone, Shaanxi Province,710000, China 
3 Key Laboratory of Shaanxi Province for Craniofacial Precision Medicine Research, College of Stomatology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi, 710004, China 
4 Shenzhen Clinical College of Stomatology, School of Stomatology, Southern Medical University; Shenzhen Stomatology Hospital(Pingshan) of Southern Medical University, Guangdong 518118, China 

⁎ Junjie Wu, National Clinical Research Center for Oral Diseases, State Key Laboratory of Oral & Maxillofacial Reconstruction and Regeneration, Shaanxi Clinical Research Center for Oral Diseases, Department of Orthodontics, School of Stomatology, The Fourth Military Medical University, Xi’an, Shaanxi 710032, China. National Clinical Research Center for Oral Diseases, State Key Laboratory of Oral & Maxillofacial Reconstruction and Regeneration, Shaanxi Clinical Research Center for Oral Diseases, Department of Orthodontics, School of Stomatology, The Fourth Military Medical University Xi’an Shaanxi 710032 China

Summary

Background

To establish patient-specific three-dimensional finite element analysis (FEA) models to investigate the effects of different mandibular advancement distances and vertical opening ranges of a mandibular advancement devices (MADs) on the stress distribution within the temporomandibular joint (TMJ) disc and the periodontal ligament (PDL) of the lower anterior teeth during the treatment of obstructive sleep apnoea (OSA), and to identify a biomechanically favourable parameter window.

Material and methods

A high-precision three-dimensional FEA model was constructed, encompassing the “TMJ disc–maxilla–mandibular advancement device” system. The Powell truss method was used to calculate condylar rotation, and the maximum mandibular advancement distance was fixed at 8 mm. An orthogonal experimental design was employed to generate a total of 25 variable combinations. FEA was performed for each combination to analyse the stress distribution within the TMJ disc and the PDL of the lower anterior teeth.

Results

As the mandibular advancement distance increased from 50 to 70%, the peak stress in TMJ discs rose by 265% and the peak stress in the PDL increased by 179%. For every 7.07% increase in mandibular advancement distance, stress in the TMJ discs increased by 1.335 MPa. However, when the vertical opening distance exceeded 5 mm, the rate at which PDL stress increased with mandibular advancement distance slowed. The computational analysis suggested that a mandibular advancement distance of 50–60% combined with a vertical opening distance of 4–5 mm may fall within a low-stress parameter range. With this configuration, loads on the TMJ disc and PDL were reduced by 48.4% and 37.6%, respectively, compared to a 70% advancement distance.

Conclusion

FEA suggested that a mandibular advancement distance of 50–60% of maximum protrusion combined with a vertical opening distance of 4–5 mm may represent a biomechanically favourable window within this preliminary single-model analysis. These results should not be interpreted as definitive clinical guidance.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Obstructive sleep apnea, Mandibular advancement device, Finite element analysis, Temporomandibular joint, Periodontal ligament, Biomechanical safety


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Vol 24 - N° 4

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