Dental implant system is composed of abutment, abutment screw and implant fixture connected with screw. The problems of loosening/tightening and stability of abutment screw depend on surface characteristics, like a surface roughness, coating materials and friction resistance and so on. For this reas...
Dental implant system is composed of abutment, abutment screw and implant fixture connected with screw. The problems of loosening/tightening and stability of abutment screw depend on surface characteristics, like a surface roughness, coating materials and friction resistance and so on. For this reason, surface treatment of abutment screw has been remained research problem in prosthodontics. The purpose of this study was to investigate the stability of TiN and WC coated dental abutment screw, abutment screw was used, respectively, for experiment. For improving the surface characteristics, TiN and WC film coating was carried out on the abutment screw using EB-PVD and sputtering, respectively. In order to observe the coating surface of abutment screw, surfaces of specimens were characterized, using field emission scanning electron microscope(FE-SEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS). The stability of TiN and WC coated abutment screw was evaluated by potentiodynamic, and cyclic potentiodynamic polarization method in 0.9% NaCl solution at $36.5{\pm}1^{\circ}C$. The corrosion potential of TiN coated specimen was higher than those of WC coated and non-coated abutment screw. Whereas, corrosion current density of TiN coated screws was lower than those of WC coated and non-coated abutment screw. The stability of screw decreased as following order; TiN coating, WC coating and non-coated screw. The pitting potentials of TiN and WC coated specimens were higher than that of non-coated abutment screw, but repassivation potential of WC coated specimen was lower than those of TiN coated and non-coated abutment screws due to breakdown of coated film. The degree of local ion dissolution on the surface increased in the order of TiN coated, non-coated and WC coated screws.
Dental implant system is composed of abutment, abutment screw and implant fixture connected with screw. The problems of loosening/tightening and stability of abutment screw depend on surface characteristics, like a surface roughness, coating materials and friction resistance and so on. For this reason, surface treatment of abutment screw has been remained research problem in prosthodontics. The purpose of this study was to investigate the stability of TiN and WC coated dental abutment screw, abutment screw was used, respectively, for experiment. For improving the surface characteristics, TiN and WC film coating was carried out on the abutment screw using EB-PVD and sputtering, respectively. In order to observe the coating surface of abutment screw, surfaces of specimens were characterized, using field emission scanning electron microscope(FE-SEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS). The stability of TiN and WC coated abutment screw was evaluated by potentiodynamic, and cyclic potentiodynamic polarization method in 0.9% NaCl solution at $36.5{\pm}1^{\circ}C$. The corrosion potential of TiN coated specimen was higher than those of WC coated and non-coated abutment screw. Whereas, corrosion current density of TiN coated screws was lower than those of WC coated and non-coated abutment screw. The stability of screw decreased as following order; TiN coating, WC coating and non-coated screw. The pitting potentials of TiN and WC coated specimens were higher than that of non-coated abutment screw, but repassivation potential of WC coated specimen was lower than those of TiN coated and non-coated abutment screws due to breakdown of coated film. The degree of local ion dissolution on the surface increased in the order of TiN coated, non-coated and WC coated screws.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 임플란트 어버트먼트 나사의 풀림력을 개선하기 위하여 TiN와 WC를 코팅하였을 때, 구강내의 환경과 유사한 용액에서 피막자체의 이온용출을 포함한 안정성을 조사하였다.
본 연구에서는 TiN 및 WC코팅된 치과용 어버트먼트 나사의 안정성을 조사할 목적으로 전기화학적 실험을 행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
76 마이크로 미터의 순수한 금으로 도금을 한 것으로, 순금을 dry lubricant로 이용한 것으로 제조회사에서는 전하중이 24퍼센트가 증가하며, 수직 잠금력이 75퍼센트가 증가한다고 하였다. 임플란트 지대주 나사의 코팅의 성질 중 3i의 gold 코팅된 나사는 표면의 물성을 약하게 하고 그 변형된 성질을 이용해서 지대주 나사의 풀림 현상을 방지하고자 하였다6). 특히 이들 코팅물질은 내마모성 및 전단강도가 낮아 임플란트 고정체 나사표면과 지대주 나사표면으로부터 유리된 금속이온이나 마모된 입자들이 풀림과 조임을 반복할 때 표면을 거칠게 함으로써 마찰저항을 증가시켜 조임에 문제가 있는 것으로 나타나고 있다.
제안 방법
−1500 mV의 음극 전류 하에서 10분간 인위적으로 환원시켜 시편의 표면을 안정화시키고 동시에 Ar 가스를 주입하여 교반함으로써 시편 표면의 불순물, 산화물 및 용존산소를 제거하여 각각의 시편마다 동일한 조건으로 −1500 mV에서 +2000 mV 까지 전위를 가하여 분극시험을 행하고, 부식전위, 부식전류밀도 및 부동태전류밀도를 측정하였다.
본 연구에서 코팅 전 표면의 관찰은 field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM;S-4800, Hitach, Japan)와 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS; S-4800, Hitach, Japan)를 사용하였으며, 이는 초고분해능을 가지며 다른 주사전자현미경보다 고배율로 관찰할 수 있다. EDS를 이용하여 코팅표면에서 성분 분석을 행하였으며, 부식이 끝난 뒤 표면의 관찰도 같은 방법으로 행하였다.
WC코팅은 아크-스퍼터(Model AAS-1200, AMS Co, Korea)를 이용하여 타겥으로 WC를 사용하였고, 메탄가스를 반응 가스로 흘려보냈으며 타겥 출력은 5 kW와 250 mA의 전류로 5 mTorr에서 1~3 μm두께가 되도록 약 15분간 250℃에서 코팅하였으며, 각각의 코팅 조건은 표 1에 나타내었다.
따라서 본 연구에서는 전자진공증착기(EB-PVD) 를 사용하여 TiN를 코팅하고 sputtering을 이용하여 WC를 어버트먼트 나사에 코팅하여 생체안전성을 조사하였다. 그 결과, 코팅하지 않은 어버트먼트 나사는 표면을 FE-SEM을 사용하여 고배율로 보면 표면에서 많은 스크래치들을 볼 수 있고, 이러한 스크래치들이 조임력에 영향을 크게 미칠 것으로 생각된다(그림 2).
본 연구에서 코팅 전 표면의 관찰은 field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM;S-4800, Hitach, Japan)와 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS; S-4800, Hitach, Japan)를 사용하였으며, 이는 초고분해능을 가지며 다른 주사전자현미경보다 고배율로 관찰할 수 있다. EDS를 이용하여 코팅표면에서 성분 분석을 행하였으며, 부식이 끝난 뒤 표면의 관찰도 같은 방법으로 행하였다.
9% NaCl용액을 사용하였고 기준전극(reference electrode)으로는 포화감홍전극(saturated calomel electrode, SCE)을, 보조전극(counter electrode)으로는 고밀도 탄소 전극을 작업전극으로는 준비된 시편을 사용하였다. 실험용액은 실험이 시작되기 30분 전부터 끝날 때까지 Ar 가스를 흘려보내 탈기된(deaerated) 분위기를 유지시켜 주었으며, 준비된 시편의 일반적인 이온용출특성을 조사하기 위하여 0.9% NaCl 전해액에서 1.66 mV/sec의 주사속도로 동전위시험을 실시하였다. −1500 mV의 음극 전류 하에서 10분간 인위적으로 환원시켜 시편의 표면을 안정화시키고 동시에 Ar 가스를 주입하여 교반함으로써 시편 표면의 불순물, 산화물 및 용존산소를 제거하여 각각의 시편마다 동일한 조건으로 −1500 mV에서 +2000 mV 까지 전위를 가하여 분극시험을 행하고, 부식전위, 부식전류밀도 및 부동태전류밀도를 측정하였다.
연구에서 TiN코팅은 EB-PVD(electron beam, Model AEE-650, AMS Co., Korea) 장치를 이용하여 시험 편을 장착 후에 진공챔버를 1.0×10−6 torr까지 배기시키고, mass flow controller를 이용하여 질소 gas를 10-30 sccm으로 공급하였다.
특히 표면에 형성된 기계적인 가공 결함은 쉽게 부식되어 이온이 용출되고, 또한 미세균열이 초기에 핵생성 되어 파절로 이어질 수 있는 결함이다15). 이러한 결함을 제거하고 표면의 거칠기를 제거하기 위하여 EB-PVD로 코팅을 행하였으며, TiN를 코팅한 나사는 TiN이 화학양론적 비를 가질 때 갖는 전형적인 코팅표면 색깔인 황금색을 띤다(그림 1). TiN를 코팅한 표면은 코팅하지 않은 표면에 비하여 기계적인 결함이 현저하게 감소되는 모습으로 나타내는데(그림 3), 성장된 피막은 주상정의 조직(columnar structure)을 가지고 특정방향으로의 결정이 성장13) 하면서 다소의 기계적 결함이 있다고 하더라도 쉽게 제거되게 된다.
WC코팅은 아크-스퍼터(Model AAS-1200, AMS Co, Korea)를 이용하여 타겥으로 WC를 사용하였고, 메탄가스를 반응 가스로 흘려보냈으며 타겥 출력은 5 kW와 250 mA의 전류로 5 mTorr에서 1~3 μm두께가 되도록 약 15분간 250℃에서 코팅하였으며, 각각의 코팅 조건은 표 1에 나타내었다. 코팅된 표면은 EDS와 FE-SEM을 이용하여 관찰하였다.
코팅물질이 공식에 미치는 영향은 순환동전위법을 이용하여 −1500 mV의 음극 전류 하에서 10분간 인위적으로 환원시켜 시편의 표면을 안정화시키고 동시에 Ar 가스를 주입하여 교반함으로써 시편 표면의 불순물, 산화물 및 용존산소를 제거하여 각각의 시편마다 동일한 조건으로 −1500 mV에서 +1500 mV 까지 전위를 정 방향으로 가한 다음 역방향으로−750 mV까지 가하여, 공식전위위와 재부동태화정도를 측정하여 이온의 용출 경향을 파악하였다(표 2).
대상 데이터
Ti-6Al-4V합금으로 제조된 치과용 어버트먼트(External, Deasrh, Dentis. Co)를 준비하여 비교군으로 코팅하지 않은 것 20개를, 또 TiN 및 WC를 20개씩 코팅하여 이온용출시험에 각각 사용하였다.
실험용액은 36.5±1℃의 0.9% NaCl용액을 사용하였고 기준전극(reference electrode)으로는 포화감홍전극(saturated calomel electrode, SCE)을, 보조전극(counter electrode)으로는 고밀도 탄소 전극을 작업전극으로는 준비된 시편을 사용하였다.
데이터처리
어버트먼트 나사의 코팅전과 코팅 후에 부식의 정도를 관찰하기 위하여 순환동전위시험한 후 표면을 FE-SEM을 이용하여 조사한 결과 그림 8, 9 및 10에 나타내었다.
이론/모형
임플란트 어버트먼트나사의 코팅표면의 안정성을 평가하기 위하여 전기화학적인 방법(potentiostat/ galvanostat 263A, EG&G, USA)을 이용하여 동전위 시험(potentiodynamic test)과 순환동전위시험(CPPT)을 행하였다.
성능/효과
코팅이 되지 않은 (a)의 경우는 어버트먼트 나사의 재료가 갖는 합금성분인 Ti이주로 검출되었고 Al 및 V도 검출되어 Ti-6Al-4V합금으로 확인되었다. (b) TiN이 코팅된 경우로 Al과 V이 검출되지 않고 Ti과 N이 검출됨으로써 코팅이잘 이루어졌음을 보인다. (c)는 WC가 코팅된 경우로 표면분석결과 W의 성분이 우세하게 나타나 WC가 잘 코팅되었음을 나타낸다.
1. 코팅한 경우가 코팅하지 않은 경우보다 전류밀도가 크게 감소하였으며, 부식전위가 크게 높아짐을 보였다. TiN코팅한 경우가 WC코팅한 경우에 비하여 전류밀도가 크게 낮아졌다.
2. TiN코팅한 경우, 공식전위가 가장 높은 값을 나타냈고, 재부동태화전위는 높게 나타났으며, WC를 코팅한 경우 낮게 나타났다.
따라서 본 연구에서는 전자진공증착기(EB-PVD) 를 사용하여 TiN를 코팅하고 sputtering을 이용하여 WC를 어버트먼트 나사에 코팅하여 생체안전성을 조사하였다. 그 결과, 코팅하지 않은 어버트먼트 나사는 표면을 FE-SEM을 사용하여 고배율로 보면 표면에서 많은 스크래치들을 볼 수 있고, 이러한 스크래치들이 조임력에 영향을 크게 미칠 것으로 생각된다(그림 2). 특히 표면에 형성된 기계적인 가공 결함은 쉽게 부식되어 이온이 용출되고, 또한 미세균열이 초기에 핵생성 되어 파절로 이어질 수 있는 결함이다15).
따라서 임플란트의 조임과 풀림의 효과를 극대화하고 인체 내에서 안정성이 확보된 나사의 코팅 조건은, 표면에 치밀하게 코팅된 TiN의 피막이 가장 좋은 효과를 나타낼 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구결과 TiN와 WC의 코팅 중에서 조임과 풀림효과에 앞서 인체 내에 매식된 상태에서 용출될 수 있는 용이성은, WC가 TiN에 비하여 훨씬 쉽게 일어난다고 볼 수 있다.
순환동전위방법을 이용하여 코팅표면에서 국부적으로 이온 용출이 쉬운지 어려운지를 조사한 결과, 그림 7에서 코팅하지 않은 나사의 경우는 공식전위가 1260 mV이고, TiN를 코팅한 경우는 1400 mV, WC를 코팅한 경우는 1200 mV를 나타내어, 공식전위가 TiN가 가장 높아 국부적으로 용출이 일어나는 것에 대한 저항성은 TiN>WC>non coated 순으로 각각 나타났다.
이와 같이 어버트먼트 나사에 TiN와 WC를 코팅하여 마찰계수를 감소함으로써 조임과 풀림의 성질을 개선할 수 있으나, 임상적으로 매식될 때 코팅표면에서 이온의 용출은 TiN으로 쉽게 되어 나사의 수명이 단축될 가능성이 있기 때문에, 이를 개선하기 위하여 나사 표면에 TiN를 코팅함으로써 표면에서 금속이온의 용출이 가장 적게되어 생체안정성이 우수한 조건으로 생각되었다.
재부동태화를 시켜보면 재부동태화전위(Erep)는 코팅하지 않은 경우가 −1250 mV, TiN를 코팅한 경우는 −1300 mV, WC를 코팅한 경우는 재부동태화가 되지 않은 것으로 나타났다.
재부동태화전위(Erep)는 코팅하지 않은 경우가 −1250 mV, TiN를 코팅한 경우는−1300 mV, WC를 코팅한 경우는 재부동태화가 되지 않은 것으로 나타나 코팅막이 구강내의 수용액에서 약하게 반응함을 알 수 있었다.
전반적으로 기계적인 가공을 하면 결함이 심하게 나타난 부분이 나사산이며 나사면과 골에서는 다소 평평한 표면을 보였다. 이러한 표면은 코팅한 표면에 직접적으로 영향을 미치며 나사산이 많은 결함과 결함 시 발생한 입자로 구성이 되어 있어 나사산 부분에서 피막이 쉽게 균열되는 양상을 보였다(그림 3, 4).
코팅하지 않은 어버트먼트나사와 TiN를 코팅한 나사 및 WC를 코팅한 나사의 부식전위는 코팅하지 않은 나사가 −780 mV로 가장 낮게 나타나서, 이온 용출이 TiN 및 WC를 코팅한 경우에 비하여 쉽게 일어남을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Ti 및 Ti 합금은 어떤 우수한 특성으로 어디에 사용되고 있는가?
최근 세계적으로 치과용 임플란트의 수요가 급격히 증가하고 노령화가 됨으로써 임플란트 환자가 급증하고 있다. 임플란트에 사용되는 Ti 및 Ti 합금은 생체적합성이 우수하여 고정체, 어버트먼트 나사로 구성된 임플란트계에 많이 사용되고 있다. 임상적으로 임플란트를 매식하고 시간이 흐름에 따라 임플란트 지대주 나사, 고정체 및 상부 보철물사이에 문제가 빈번히 발생된다.
금으로 임플란트를 하면 발생하는 문제는?
15로 낮아 더욱 효과 적으로 조여질 수 있으므로 타이타늄 나사보다 2배정도 큰 800N의 전 하중을 얻을 수 있으며, 또한 타이타늄 보다 금의 경우가 항복강도가 높으므로 더 조일 수 있기 때문이라 하였다. 금은 마찰계수는 높지만 변형이 쉬워 쉽게 표면에 달라붙음으로써 큰 조임력을 얻을 수 있지만 반복 조임과 풀림 시에 문제가 발생하게 된다. 최근에는 마찰계수를 감소시키려는 노력은 반복 조임과 풀림시에 발생하는 문제를 해결하려고 lubricant의 적용이 시작되었 으며, 그 중 현재 가장 널리 사용되는 것으로 3i 사의 Goldtite와 Steri-oss 사의 Torqtite가 있다.
TiN 및 WC코팅된 치과용 어버트 먼트 나사의 안정성을 조사할 목적으로 전기화학적 실험을 행한 결과는?
1. 코팅한 경우가 코팅하지 않은 경우보다 전류 밀도가 크게 감소하였으며, 부식전위가 크게 높아 짐을 보였다. TiN코팅한 경우가 WC코팅한 경우에 비하여 전류밀도가 크게 낮아졌다.
2. TiN코팅한 경우, 공식전위가 가장 높은 값을 나타냈고, 재부동태화전위는 높게 나타났으며, WC 를 코팅한 경우 낮게 나타났다.
본 연구결과 TiN와 WC의 코팅 중에서 조임과 풀림효과에 앞서 인체 내에 매식된 상태에서 용출될 수 있는 용이성은, WC가 TiN에 비하여 훨씬 쉽게 일어난다고 볼 수 있다.
따라서 임플란트의 조임과 풀림의 효과를 극대화하고 인체 내에서 안정성이 확보된 나사의 코팅 조건은, 표면에 치밀하게 코팅된 TiN의 피막이 가장 좋은 효과를 나타낼 수 있을 것으로 생각된다.
참고문헌 (21)
C. M. Will, D. W. Ronald, H. M. Barbara, W. M. Amp, J. Prosthet Dent., 86 (2001) 24-32
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