$-Amyloid

D. Biomechanics of Cross-Arch Fixed Partial 
Dentures in Perioprosthetic 
Patient/Technical and Biological Aspect 
 
Clinical studies reporting on success rates of extensive restorations for severely reduced 
periodontal  tissues  present  higher  failure  rates  than  for  no-cantilever  fixed  prostheses.  [103, 
104]The  complications  arising  are  mechanical  rather  than  biological,  primarily  related  to 
fracture of the connectors. [35] 
Connectors  seem  to  be  regions  of  high  stress  concentration  and,  therefore,  frequently 
involve  complications.  [105]  Previous  clinical  studies  have  demonstrated  increased  rates  of 
failure  when  connectors  with  conventional  dimensions  were  used  for  extended  cross-arch 
FPDs  with  minimum  periodontal  tissue  support,  especially  proximal  to  the  retaining 
abutment.  [34,  106]Thus,  dimensioning  of  connectors  is  a  critical  factor  in  the  survival  of 
cantilever  cross-arch  FDPs  in  the  perioprosthetic  patient,  as  its  importance  is  enhanced  by 
theconsiderable  biomechanical  demands.  [107]In  details,  reduction  of  the  osseous  support 
moves the fulcrum of the tooth apically. This results in high stress concentrations within the 
connectors due to a large rotary vertical vector with long leverage for each tooth. [107] This 
stress increase renders connectors prone to failure, regardless of the material used, since they 
are the weakest points of the prosthesis due to their relative small cross-section to the overall 
construction. [108]The stress concentration within the connectors is further enhanced by the 
addition of a cantilever segment. [108]Proper dimensioning of the connectors was established 
by  mathematical  calculations  derived  from  a  formula  used  by  Erhardson.  [109]  The  results 
obtained indicate that the technical safety of the cantilevered FDPs is ensured by increasing 
the vertical dimension (VD) of the connectors adjacent to the cantilever segment to 5 to 6 mm 
and  their  horizontal  dimension  (HD)  to  4  to  5  mm.  [99]  Clinical  studies,  incorporating  this 
formula in the fabrication of cantilever cross-arch FDPs in the perioprosthetic patient, report 
lower technical  failure  rates compared  to  studies in  which the  dimensions of  the  connectors 
were lesser. [33-35, 96, 99, 104, 110] 
The  positive  outcomes  obtained  from  such  therapeutic  regimens  have  been  reported 
primarily in clinical studies conducted in Scandinavian countries. [36, 37] In this population, 
the anatomic average of crown diameters could incorporate the increase of the connectors to 
these dimensions, [111] while the posterior teeth were restored using complete cast crowns or 
pontics. However, the increased use of metal ceramic restorations in the entire restored dental 
arch, in combination with the smaller mesiodistal and buccolingual diameters recorded for the 
teeth of other human population groups, renders such dimensions not always attainable. [37, 
112] Consequently, even if the elongated clinical crown resulting from advanced periodontal 
disease permits the increased height of connectors, the HD is limited by the tooth size and the 
type  of  prosthetic  restoration.  Therefore,  the  question  arises  as  to  how  the  biomechanical 
behavior  of  the  connectors  is  affected  when  an  increase  in  VD  is  not  combined  with  a 
simultaneous increase in HD. 

---

Biomechanics of Rehabilitating the Perioprosthetic Patient 
77 
Testing  the  biomechanical  performance  of  the  connectors  related  to  their  dimensions  in 
clinical  studies  is  not  easy  because  it  is  difficult  to  standardize  the  dimensions  of  the 
connectors. [113, 114] Therefore, the analysis of the biomechanics of the connectors has been 
studied primarily using theoretical methods. [81, 109, 110, 113, 115-126]This emphasizes the 
importance  of  proper 
insilico 
studies.  The  most  sophisticated  theoretical  method  for 
simulating clinical reality is Finite Element Analysis (FEA), [20] an 
in silico 
numerical tool 
predicting  biomechanical  response.  [21]This  has  the  advantage  over  clinical  studies  of 
reducing  the  number  of  uncontrolled  variables  influencing  the  final  outcome.  [20]Finite 
element  analysis  (FEA)  may  solve  such  complicated  design  problems,  [127-129]  using  the 
principles  of  engineering  and  material  science.  [130,  131]  However,  few  FEA  studies  are 
available, [124, 126] and the authors identified no studies pertaining to the optimal dimension 
of  the  connectors  proximal  to  the  retaining  abutment  of  cross-arch  FDPs,  extended  as 
cantilever segments, with minimal osseous support. Consequently, in research activity of the 
Department  of  Fixed  Prosthesis  and  Implant  Prosthodontics,  Aristotle  University  of 
Thessaloniki, 
in silico
 studies have been conducted using Finite Element Analysis Software in 
order  to  investigate  and  optimize  the  biomechanics  of  the  metal-framework  regarding  to 
technical and biological integrity of cross-arch FPDs in the perioprosthetic patient.  
The  methodology  followed  was  based  on  the  evaluation  of  digital  parametric  anatomic 
models,  derived  from  a  3-D  basic  one.  All  the  structures  were  either  obtained  from  a 
Computed  Tomography  (CT)  image  processing  system  (MIMICS:  Materialise  Interactive 
Medical  Image  Control  System;  Materialise  N.V.,  Leuven,  Belgium)  or  developed  in  3-D 
Computer-Aided  Design  (CAD)  (Solidworks  2006;  Solidworks  Corp,  Concord,  Mass)  and 
Reverse Engineering (RE) (Geomagic Studio; Geomagic Inc, North Carolina) environments. 
The  original model  simulated  a  human  adult  mandible,  dentate  bilaterally  to the  second 
premolars, with a normal height of alveolar bone (Figure 3, A and B).  
 
 
A. 
 
 
B. 
Figure 3. Original Model. A. Mandible, B. Teeth. 

---

Petros Koidis and Manda Marianthi 
78 
 
Figure 4. Connectors proximal to the end-abutment, adjacent to cantilever segment. 3, 4, 5 mm-
connectors in vertical dimension. 
 
Figure 5. Models. NC3: No-cantilever FPD, 1UC3: 1-unit cantilever FPD, 3mm-connector, 2UC3: 2-
unit cantilever FPD, 3mm-connector, 1UC4: 1-unit-cantilever FPD, 4mm-connector, 2UC4: 2-unit 
cantilever FPD, 4mm-connector, 1UC5: 1-unit cantilever FPD, 5mm-connector, 2UC5: 2-unit 
cantilever FPD, 5mm-connector. 
The  original  model  was  modified  to  form  parametric  models  restored  with  a  cross-arch 
FPD:  a.  not  extended-without  cantilevers  and  b.  extended  bilaterally  as  1-  or  2-  unit 
cantilevers. The VD of the connectors proximal to retaining abutment of the extended FPDs 
was investigated for the values 3 (conventional), 4 and 5 mm, while their HD remained stable 
at 2,5mm (Figure 4). [132] 
Each  type  of  restoration  was  investigated  at  50%  of  reduced  bone  support.  [7]The 
resulting models and their symbols are shown in Figure 5.  
 
 

---

Biomechanics of Rehabilitating the Perioprosthetic Patient 
79