연구 목적: 본 연구에서는 임플란트 경부 디자인의 측면에서 미세나사, 치은 관통부의 곡면 디자인 적용 및 경부 역사면 부여효과를 직접 비교하여 정량적인 평가를 하고자 하였다. 연구 재료 및 방법: 직경 4.1 mm, 길이 10 mm 의 매립형 (submerged) 고정체 (Dentis Co., Daegu, Korea)를 기본 형상으로 설정하였다. 실험 모델로는 대조 모델의 경부 주위, 즉 치은 관통부/지대주 체결 방법에 변화를 준 다섯 가지 경우로 설정하였다 (실험 모델 I: 경부측 3 mm에 높이 0.15 mm, 피치 0.3 mm의 미세나사 (microthread)가 가공된 모델, 실험 모델II: 실험 모델 I 과 동일한 고정체이나, 매립형이 아니라 1-stage 형 (internal type) 디자인을 가진 미세나사가 가공된 모델, 실험 모델 III: 매식부 나사산은 대조 모델과 동일하나 1-stage 형 경부 디자인을 가지는 미세나사가 가공되지 않은 모델, 실험 모델 IV: 일체형 (one piece system) 임플란트로 치은 관통부에 3 mm 직경의 만곡 (concavity)형상을 갖는 모델, 실험 모델 V : 매식부 나사산 및 지대주는 대조 모델과 동일하나 고정체 platform 가장 자리에 높이 1 mm 의 역사면 (reverse bevel)을갖는모델). 유한요소해석을 위해 PC용으로 출시된 상용 프로그램인 NISA II/Display III (EMRC, Troy, MI, USA)를 사용하여, 축대칭으로 임플란트/악골 조합을 모델링하였다. 고정체 형상은 동일하나 경부 (및 치은 관통부) 디자인에 차이가 있는 여섯 종의 임플란트 (대조 모델 + 다섯 종 실험 모델)를 9 mm 폭경의 악골에 식립하고 임플란트 장축에 대해 30도의 각도를 갖는 100 N의 하중을 받는 조건으로 임플란트/골 복합체의 응력을 해석하였다. 결과:실험 모델 I과 실험 모델 IV에서 변연골 응력이 약간 낮았으나 실험 모델 II, III, 실험 모델 V는 대조 모델보다 변연골 응력이 높았다. 최대 절점응력이 기록된 임플란트로부터 0.2 mm 떨어진 위치에서의 응력은 실험 모델 III에서 21.11 MPa로 가장 높았고 실험 모델 II와 실험 모델 V는 비슷한 수준으로 각각 18.39 MPa, 17.88 MPa이었으며 실험 모델 I, IV는 대조모델의 15.09 MPa 보다 약간 낮은 14.78 MPa, 14.63 MPa 였다. 결론: 경부의 미세나사와 치은 관통부의 곡면 (concavity) 부여가 변연골의 응력집중 방지에 효과가 있는 것으로 분석되었다.
연구 목적: 본 연구에서는 임플란트 경부 디자인의 측면에서 미세나사, 치은 관통부의 곡면 디자인 적용 및 경부 역사면 부여효과를 직접 비교하여 정량적인 평가를 하고자 하였다. 연구 재료 및 방법: 직경 4.1 mm, 길이 10 mm 의 매립형 (submerged) 고정체 (Dentis Co., Daegu, Korea)를 기본 형상으로 설정하였다. 실험 모델로는 대조 모델의 경부 주위, 즉 치은 관통부/지대주 체결 방법에 변화를 준 다섯 가지 경우로 설정하였다 (실험 모델 I: 경부측 3 mm에 높이 0.15 mm, 피치 0.3 mm의 미세나사 (microthread)가 가공된 모델, 실험 모델II: 실험 모델 I 과 동일한 고정체이나, 매립형이 아니라 1-stage 형 (internal type) 디자인을 가진 미세나사가 가공된 모델, 실험 모델 III: 매식부 나사산은 대조 모델과 동일하나 1-stage 형 경부 디자인을 가지는 미세나사가 가공되지 않은 모델, 실험 모델 IV: 일체형 (one piece system) 임플란트로 치은 관통부에 3 mm 직경의 만곡 (concavity)형상을 갖는 모델, 실험 모델 V : 매식부 나사산 및 지대주는 대조 모델과 동일하나 고정체 platform 가장 자리에 높이 1 mm 의 역사면 (reverse bevel)을갖는모델). 유한요소해석을 위해 PC용으로 출시된 상용 프로그램인 NISA II/Display III (EMRC, Troy, MI, USA)를 사용하여, 축대칭으로 임플란트/악골 조합을 모델링하였다. 고정체 형상은 동일하나 경부 (및 치은 관통부) 디자인에 차이가 있는 여섯 종의 임플란트 (대조 모델 + 다섯 종 실험 모델)를 9 mm 폭경의 악골에 식립하고 임플란트 장축에 대해 30도의 각도를 갖는 100 N의 하중을 받는 조건으로 임플란트/골 복합체의 응력을 해석하였다. 결과:실험 모델 I과 실험 모델 IV에서 변연골 응력이 약간 낮았으나 실험 모델 II, III, 실험 모델 V는 대조 모델보다 변연골 응력이 높았다. 최대 절점응력이 기록된 임플란트로부터 0.2 mm 떨어진 위치에서의 응력은 실험 모델 III에서 21.11 MPa로 가장 높았고 실험 모델 II와 실험 모델 V는 비슷한 수준으로 각각 18.39 MPa, 17.88 MPa이었으며 실험 모델 I, IV는 대조모델의 15.09 MPa 보다 약간 낮은 14.78 MPa, 14.63 MPa 였다. 결론: 경부의 미세나사와 치은 관통부의 곡면 (concavity) 부여가 변연골의 응력집중 방지에 효과가 있는 것으로 분석되었다.
Purpose: This study was to investigate how the crestal module design could affect the level of marginal bone stress around dental implant. Materials and methods: A submerged implant of 4.1 mm in diameter and 10 mm in length was selected as baseline model (Dentis Co., Daegu,Korea).A total of 5 experi...
Purpose: This study was to investigate how the crestal module design could affect the level of marginal bone stress around dental implant. Materials and methods: A submerged implant of 4.1 mm in diameter and 10 mm in length was selected as baseline model (Dentis Co., Daegu,Korea).A total of 5 experimental implants of different crestal modules were designed (Type I model : with microthread at the cervical 3 mm, Type II model : the same thread pattern as Type I but with a trans-gingival module, Type III model: the same thread pattern as the control model but with a trans-gingival module, Type IV model: one piece system with concave transgingival part, Type V model: equipped with beveled platform). Stress analysis was conducted with the use of axisy mmetric finite element modeling scheme. A force of 100 N was applied at 30 degrees from the implant axis. Results: Stress analysis has shown no stress concentration around the marginal bone for the control model. As compared to the control model, the stress levels of 0.2 mm areas away from the recorded implant were slightly lower in Type I and Type IV models, but higher in Type II, Type III and Type V models. As compared to 15.09 MPa around for the control model, the stress levels were 14.78 MPa, 18.39 MPa, 21.11 MPa, 14.63 MPa, 17.88 MPa in the cases of Type I, II, III, IV and V models. Conclusion: From these results, the conclusion was drawn that the microthread and the concavity with either crestal or trans-gingival modules maybe used in standard size dental implants to reduce marginal bone stress.
Purpose: This study was to investigate how the crestal module design could affect the level of marginal bone stress around dental implant. Materials and methods: A submerged implant of 4.1 mm in diameter and 10 mm in length was selected as baseline model (Dentis Co., Daegu,Korea).A total of 5 experimental implants of different crestal modules were designed (Type I model : with microthread at the cervical 3 mm, Type II model : the same thread pattern as Type I but with a trans-gingival module, Type III model: the same thread pattern as the control model but with a trans-gingival module, Type IV model: one piece system with concave transgingival part, Type V model: equipped with beveled platform). Stress analysis was conducted with the use of axisy mmetric finite element modeling scheme. A force of 100 N was applied at 30 degrees from the implant axis. Results: Stress analysis has shown no stress concentration around the marginal bone for the control model. As compared to the control model, the stress levels of 0.2 mm areas away from the recorded implant were slightly lower in Type I and Type IV models, but higher in Type II, Type III and Type V models. As compared to 15.09 MPa around for the control model, the stress levels were 14.78 MPa, 18.39 MPa, 21.11 MPa, 14.63 MPa, 17.88 MPa in the cases of Type I, II, III, IV and V models. Conclusion: From these results, the conclusion was drawn that the microthread and the concavity with either crestal or trans-gingival modules maybe used in standard size dental implants to reduce marginal bone stress.
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문제 정의
본 연구에서는 변연골 소실이 전혀 없는, 즉 골내 매식부의 최대 높이까지 변연골이 골융합을 이룬 이상적인 경우에 대해 분석하여 비교하였다. 그러나 임플란트가 구강환경에서 기능을 개시한 이후에는 변연골이 완전하고 이상적인 경우는 드물 것이며 오히려 일정수준의 변연골 소실이 존재하는 것이 일반적일 것이다.
본 연구에서는 임플란트 경부 디자인의 측면에서 미세나사, 치은 관통부의 곡면 디자인 적용 및 경부 역사면 부여효과를 직접 비교하여 정량적인 평가를 하고자 한다.
지금까지 변연골 응력을 감소시키기 위해 제안된 방법으로는 임플란트 식립 개수를 늘리거나, 크기가 큰 임플란트 사용,13-15 임플란트 몸체와16,17 나사산18,19 및 지대주20,21 디자인의 최적화, 임플란트 표면개질법22,23 등이 있다. 이러한 방법들을 통해서 임플란트/골 계면의 넓이를 키워 단위 면적당의 응력을 감소시키려는 것이다. 그러나 보다 직접적으로 변연골 응력을 결정하는 요인은 임플란트 경부로부터 변연골로 이어지는 힘 전달 경로의 특성이므로 임플란트 경부 디자인이 변연골 응력관리에 매우 중요하다.
가설 설정
변위 경계조건으로는 원점에서는 Ux = Uy = 0, 기저면 상의 모든 다른 절점에서는 Uy = 0 조건을 부여하여, 악골 기저면이 고정된 것으로 모사하였다 (Ux, Uy 는각각x-축, y-축 방향의 변위). 임플란트 지대주와 고정체, 지대주와 보철물, 그리고 임플란트와 골 사이의 모든 계면은 미끄러짐이 없는 완전결합을 이루는 것으로 가정하였고, 선형탄성 가정 하에 모든 해석을 수행하였다.
1B)에서 골의 폭경을 9 mm로 고정하였다. 치밀골 두께는 모든 부위에서 동일하게 1.0 mm로 가정하였으며, 악골 높이는 15 mm, 즉 고정체의 매식부 길이의 1.5배로 설정하였다. 대표적인 유한요소모델을 Fig.
제안 방법
Elements sitting on the marginal bone surface within 1 mm away from the implant wall were given equal size, i.e 0.2 mm as seen in the box, in order to facilitate a direct comparison between the models analyzed.
고정체 형상은 동일하나 경부 (및 치은 관통부) 디자인에 차이가 있는 여섯 종의 임플란트 (대조 모델 + 다섯 종 실험 모델)를 9 mm 폭경의 악골에 식립하고 임플란트 장축에 대해 30도의 각도를 갖는 100 N의 하중을 받는 조건으로 임플란트/골 복합체의 응력을 해석하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
2 mm로 균등하게 하여, mesh 특성이 응력에 미치는 영향을 모든 모델에서 동일하도록 하였으므로 절점응력을 직접 비교하여도 무방하다. 그러나 임플란트와 변연골이 선각을 이루며 만나는 지점, 즉 노치에서 관찰된 특이점 문제를 피하기 위해, 임플란트 벽면으로부터 0.2 mm 이상 떨어진 부위에서의 응력을 비교하였다. Fig.
축대칭으로 임플란트/악골 조합을 모델링하였다. 대조 모델과 5종의 실험 모델에서 악골의 폭경을 포함한 기하학적 형상, 치밀골의 두께와 밀도, 또한 해면골의 두께와 밀도를 모두 동일하게 구성하였다.
NISA II에서는 축대칭 구조에 축대칭 하중은 물론 비축대칭 하중조건이 사용되는 경우를 위해 solid 요소인 NKTP 34와 shell 요소인 NKTP 37을 구비하고 있다. 본 연구에서는 임플란트 장축과 30도의 각을 이룬 경사력, 즉 비축대칭 하중 조건을 사용하고 있으므로, NKTP type 34형 요소를 사용하여 모델링하였다. 해석오차 감소를 위해 요소종횡비(aspect ratio)는 5.
유한요소해석을 위해 PC용으로 출시된 상용 프로그램인 NISA II/Display III (EMRC, Troy, MI, USA)를 사용하여,31 축대칭으로 임플란트/악골 조합을 모델링하였다. 대조 모델과 5종의 실험 모델에서 악골의 폭경을 포함한 기하학적 형상, 치밀골의 두께와 밀도, 또한 해면골의 두께와 밀도를 모두 동일하게 구성하였다.
치조골의 기하학적 형상이 변연골 응력분포에 미치는 영향이 모든 해석모델에서 일치되도록 하기 위해, 임플란트 경부 주위 골의 형상을 모든 모델에서 동일하게 모델링하였다. 특히 변연골의 폭경이 응력 분포에 주요한 영향을 줄 수 있으므로, 본 연구에서는 치조골정 하방 1.
치조골의 기하학적 형상이 변연골 응력분포에 미치는 영향이 모든 해석모델에서 일치되도록 하기 위해, 임플란트 경부 주위 골의 형상을 모든 모델에서 동일하게 모델링하였다. 특히 변연골의 폭경이 응력 분포에 주요한 영향을 줄 수 있으므로, 본 연구에서는 치조골정 하방 1.5 mm 위치 (y = -1.5 mm, Fig. 1B)에서 골의 폭경을 9 mm로 고정하였다. 치밀골 두께는 모든 부위에서 동일하게 1.
대상 데이터
Mesh 모델 구성에는 NKTP type 34형 solid 요소 (4각형 axisy mmetric 요소, 절점수 8개)가 사용되었다. NISA II에서는 축대칭 구조에 축대칭 하중은 물론 비축대칭 하중조건이 사용되는 경우를 위해 solid 요소인 NKTP 34와 shell 요소인 NKTP 37을 구비하고 있다.
1B). 대조 모델 고정체는 몸체 전체에 높이0.33 mm 피치 1.8 mm의 buttress형 2 줄 나사산이 가공되어 있으며 고정체 하방에는 self tapping 목적의 절삭연이 있다. 대조 모델의 경우, 경부에서 고정체 platform 폭경은 4.
실험 모델V의 경우는 다른 모델들과 다르게 변연골 내의 응력분포특성, 즉 응력의 방향을 바꾸어 응력크기를 낮추고자 하는 디자인이었다. 경부의 역사면은 변연골에 인장응력 발생을 유도하여 저적압에 의한 압축응력을 상쇄시켜 응력을 낮추려는 방안이며, 사면을 이용하여 응력의 분포특성을 바꾸는 유사한 사례를 임플란트가 가진 나사산에서 볼 수 있다.
실험 모델로는 대조 모델의 경부 주위, 즉 치은 관통부/지대주 체결 방법에 변이를 준 다섯 가지 경우를 설정하였으며, 이전 연구들에 의해 변연골 응력 감소 효과를 가진 디자인이 포함되었다 (Fig. 2).
실험 모델V에서 역사면 효과가 미미했던 것은 그 효과를 충분히 얻을 수 있을 정도의 충분한 크기의 사면각이 부여되지 못했기 때문으로 생각된다. 연구에 사용된 고정체는 4.1 mm 직경의 표준형이며 여기에 3.3 mm 직경의 지대주가 장착되었다. 지대주의 강도를 감안하면 그 직경을 줄이는데 한계가 있으므로 충분한 크기의 사면을 부여할 수 있는 공간 확보가 어려웠다고 생각된다.
임플란트, 골 및 보철물의 물성은 Table 1에 제시된 수치를 사용하였다. 연조직은 그 하중 분담률을 무시할 수 있다고 가정하여 해석모델에서 제외하였다.
직경 4.1 mm, 길이 10 mm 의 매립형 고정체 (Dentis Co., Daegu, Korea)를 기본 형상으로 하여 (Fig. 1A), 상부 구조를 포함시켜 대조 모델을 설정하였다 (Fig. 1B). 대조 모델 고정체는 몸체 전체에 높이0.
성능/효과
과, 2) 임플란트로 부터의 힘 전달이 변연골 대신 그 하방으로 일어나게 하는 방안을 거론할 수 있다.26,27 대조 모델로 선택된, submerged형 임플란트는 기본적으로 후자의 방법이 적용된 것이며, 이는 platform switch 방법과 동일한 효과를 가지고.
대조 모델은 platform switch 효과를 통해 변연골의 응력집중이 방지된 것이 관찰되었다. 대조 모델 대비, 실험 모델 I과 실험 모델 IV에서 변연골 응력이 낮아졌으며, 이 결과를 통해 경부의 미세나사와 치은 관통부의 곡면 부여가 효과가 있는 것으로 분석되었다. 반면, 실험 모델 II, III, 실험 모델V는 대조 모델 보다 변연골 응력이 높았다.
대조 모델과 실험 모델 I을 비교하였을 때 미세나사의 존재가 응력분산에 어느 정도 영향을 미쳤음을 알 수 있었다. 또한 대조 모델과 실험모델 IV를 비교시, 치은 관통부의 만곡부가 변연골의 응력감소 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
대조 모델은 platform switch 효과를 통해 변연골의 응력집중이 방지된 것이 관찰되었다. 대조 모델 대비, 실험 모델 I과 실험 모델 IV에서 변연골 응력이 낮아졌으며, 이 결과를 통해 경부의 미세나사와 치은 관통부의 곡면 부여가 효과가 있는 것으로 분석되었다.
반면, 대조 모델에 있는 platform switch 효과가 배제된 실험 모델 II와 III 에서는 변연골의 응력이 각각 20 - 40% 증가되었다. 또한 경부 역사면이 부여된 실험 모델V에서도 대조 모델에 비해 변연골 응력이 약 18% 증가되는 것이 확인되었다.
대조 모델과 실험 모델 I을 비교하였을 때 미세나사의 존재가 응력분산에 어느 정도 영향을 미쳤음을 알 수 있었다. 또한 대조 모델과 실험모델 IV를 비교시, 치은 관통부의 만곡부가 변연골의 응력감소 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 반면, 대조 모델에 있는 platform switch 효과가 배제된 실험 모델 II와 III 에서는 변연골의 응력이 각각 20 - 40% 증가되었다.
4에서는 이 값의 약50% 수준인 24 MPa를 상한값으로 설정하여 이를 넘는 영역은 회색으로 나타내었다. 모델별로 변연골 응력 값에 차이가 있지만 Fig. 4 의C와D의 경우에는 변연골에 24 MPa을 넘어서는 응력집중 영역이 관찰되었으며, 대조 모델을 포함한 그 외 모델에서는 응력집중이 없었고, 응력 수준도 낮게 관찰되었다.
대조 모델 대비, 실험 모델 I과 실험 모델 IV에서 변연골 응력이 낮아졌으며, 이 결과를 통해 경부의 미세나사와 치은 관통부의 곡면 부여가 효과가 있는 것으로 분석되었다. 반면, 실험 모델 II, III, 실험 모델V는 대조 모델 보다 변연골 응력이 높았다. 그 이유로, 실험 모델 II, III의 경우에는 platform switch 효과가 없어져 변연골에 응력 집중이 발생하였기 때문이고, 실험 모델V의 경우는 공간부족으로 인해 충분한 사면각도가 부여되지 못하였기 때문으로 추론되었다.
실험 모델 III의 경우 임플란트로 부터 변연골로의 힘 전달을 완화하는 기구가 없으므로 절점응력이 대조모델에 비해 약 40% 높았던 것으로 추론된다. 실험 모델 III에서는 임플란트 경부가 골을 만나는 위치에서 V-형 홈이 형성되며 임플란트/골 복합체의 구조강성이 급격하게 변화하여 기하학적 특이점이 만들어진 결과 심각한 응력집중이 발생되었을 것이며 (Fig. 4D), 또한 이는 노치 끝 (notch tip)에 국한되는 작은 영역에서 상대적으로 큰 양의 힘이 임플란트로 부터 변연골로 전달된다는 것을 의미한다.
33 따라서 저작압에 의해서 부하되는 인접골의 압축응력이 임플란트 나사산 윗면에서는 상쇄효과가 생겨 응력감소가 생길 수 있다. 실험 모델 V의 경부 역사면이 이 같은 나사산 윗면과 같은 효과를 가질 것으로 예견되어 효과가 기대 되었으나 응력완화효과는 상대적으로 낮은 것으로 관찰되었다.
후속연구
그러나 임플란트가 구강환경에서 기능을 개시한 이후에는 변연골이 완전하고 이상적인 경우는 드물 것이며 오히려 일정수준의 변연골 소실이 존재하는 것이 일반적일 것이다. 따라서 임플란트 경부 디자인의 영향에 대한 해석과 비교분석에서도 이 같은 임상적 골조건을 반영한 보다 현실적이고 종합적인 분석이 더 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
치과용 임플란트 식립 후 변연골은 무엇에 영향을 미치는가?
치과용 임플란트 식립 후 변연골은 임플란트의 예후와 심미성에 중요한 영향을 미치므로, 그 보존이 매우 중요하다. 그러나 임플란트가 구강 내에서 저작압 등 기능력을 받음에 따라 변연골에는 점진적인 소실이 일어나게 되므로 그 원인규명과 예방이 임플란트 연구 분야의 중요한 주제가 되어 왔다.
변연골 소실의 주요한 원인은 무엇인가?
그 중에서도 과부하가 변연골 소실의 주요한 원인으로 작용하고 있다. 임플란트 인접골 중에서도 경부를 둘러싸는 변연골은 응력집중으로 인해 응력수준이 가장 높게 발생한다.
피질골에서 미세손상이 발생하는 스트레인을 응력으로 환산하면 얼마나 되는가?
Prendergast와 Huiskes11는 미세 모델링을 이용한 유한요소해석을 통해 골이 과부하를 받으면 미세손상이 생기고, 골 개형에 의해 미세균열이 치유되는 것보다 미세손상의 융합이 더 우세해지면서 골의 파절이나 소실이 개시될 수 있다 하였으며, Frost12는 피질골에서 미세손상이 발생하는 스트레인이 3,000 - 4,000 microstrain 정도라 하였다. 이 스트레인을 응력으로 환산하면 40 - 55 MPa 정도가 된다. 임플란트 변연골의 소실을 미세손상과 골 개형 사이의 부조화에 기인한 것으로 간주하여 변연골의 응력을 분산시켜 스트레인 값이 미세손상 발생의 임계치 이내로 관리하여야 한다.
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