국산 내부연결형 임플란트시스템(GS II$^{(R)}$)에서 지대주 연결방식에 따른 응력분석에 관한 연구 Three-Dimensional Finite Element Analysis of Internal Connection Implant System (Gsii$^{(R)}$) According to Three Different Abutments and Prosthetic Design원문보기
임플란트 보철물에 저작력 등 외부 하중이 작용하면 내부 반응으로 응력이 발생되는데 지지골에 나타난 응력은 골재생 및 흡수 파괴, 임플란트에 나타난 응력은 임플란트 자체의 파절이나 나사의 풀림현상 및 파절, 상부 구조물에 나타난 응력은 보철물의 파절 등을 예견하는 지침이 될 수 있을 것이다. 지대주의 형상과 재질에 따라 연결방법과 보철방법이 달라지고 임플란트 내부의 하중전달 기전이 변하게 되고 이에 따라 악골에 발생하는 응력분포 역시 달라질 수 있다. 본 연구에서는 하악 제 1대구치 부위에 이중나사 구조를 갖고 원추형 내측연결 임플란트 시스템인 GSII$^{(R)}$ (Osstem, Korea)임플란트를 이용해 지대주의 종류를 티타늄 소재의 2-piece Transfer$^{TM}$abutment (GST), 금합금 소재의 2-piece GoldCast$^{TM}$ abutment(GSG), 외부 연결형태를 가진 3-piece Convertible$^{TM}$ abutment (GSC) 로 분류하여 이에 따른 응력분포 양상을 비교 분석하여 보았다. 결과 하중조건에 관계없이 응력은 주로 지대주와 고정체가 접촉하는 경부에 집중되었다. 또한 하중조건에 관계없이 임플란트의 고정체 상부와 접촉하는 치밀골에 높은 응력이 나타나고 해면골에는 아주 작은 응력이 나타났다. 축하중보다는 중심축을 벗어난 하중조건에서 더 높은 응력이 발생되었고 수직하중보다 경사하중에서 더 높은 응력이 발생되었다. 전체에 걸친 최대응력은 GSG에서는 지대주, 치관 및 고정체에 고르게 분포되었고 GST는 주로 고정체와 지대주 나사에, GSC는 고정체와 지대주에 집중되었다. 세 지대주 간 골내의 최대응력에는 유의한 차이가 없었고 GSG가 전체 구성부의 응력분포에 있어 유리한 것으로 나타났다.
임플란트 보철물에 저작력 등 외부 하중이 작용하면 내부 반응으로 응력이 발생되는데 지지골에 나타난 응력은 골재생 및 흡수 파괴, 임플란트에 나타난 응력은 임플란트 자체의 파절이나 나사의 풀림현상 및 파절, 상부 구조물에 나타난 응력은 보철물의 파절 등을 예견하는 지침이 될 수 있을 것이다. 지대주의 형상과 재질에 따라 연결방법과 보철방법이 달라지고 임플란트 내부의 하중전달 기전이 변하게 되고 이에 따라 악골에 발생하는 응력분포 역시 달라질 수 있다. 본 연구에서는 하악 제 1대구치 부위에 이중나사 구조를 갖고 원추형 내측연결 임플란트 시스템인 GSII$^{(R)}$ (Osstem, Korea)임플란트를 이용해 지대주의 종류를 티타늄 소재의 2-piece Transfer$^{TM}$ abutment (GST), 금합금 소재의 2-piece GoldCast$^{TM}$ abutment(GSG), 외부 연결형태를 가진 3-piece Convertible$^{TM}$ abutment (GSC) 로 분류하여 이에 따른 응력분포 양상을 비교 분석하여 보았다. 결과 하중조건에 관계없이 응력은 주로 지대주와 고정체가 접촉하는 경부에 집중되었다. 또한 하중조건에 관계없이 임플란트의 고정체 상부와 접촉하는 치밀골에 높은 응력이 나타나고 해면골에는 아주 작은 응력이 나타났다. 축하중보다는 중심축을 벗어난 하중조건에서 더 높은 응력이 발생되었고 수직하중보다 경사하중에서 더 높은 응력이 발생되었다. 전체에 걸친 최대응력은 GSG에서는 지대주, 치관 및 고정체에 고르게 분포되었고 GST는 주로 고정체와 지대주 나사에, GSC는 고정체와 지대주에 집중되었다. 세 지대주 간 골내의 최대응력에는 유의한 차이가 없었고 GSG가 전체 구성부의 응력분포에 있어 유리한 것으로 나타났다.
In the internal connection system, the loading transfer mechanism within the inner surface of the implant and also the stress distribution occuring to the mandible can be changed according to the abutment form. Therefore it is thought to be imperative to study the difference of the stress distributi...
In the internal connection system, the loading transfer mechanism within the inner surface of the implant and also the stress distribution occuring to the mandible can be changed according to the abutment form. Therefore it is thought to be imperative to study the difference of the stress distribution occuring at the mandible according to the abutment form. The purpose of this study was to assess the loading distributing characteristics of three different abutments for GS II$^{(R)}$ implant fixture(Osstem, Korea) under vertical and inclined loading using finite element analysis. Three finite element models were designed according to three abutments; 2-piece Transfer$^{TM}$ abutment made of pure titanium(GST), 2-piece GoldCast$^{TM}$ abutment made of gold alloy(GSG), 3-piece Convertible$^{TM}$ abutment with external connection(GSC). This study simulated loads of 100N in a vertical direction on the central pit(load 1), on the buccal cusp tip(load 2) and $30^{\circ}$ inward inclined direction on the central pit(load 3), and on the buccal cusp tip(load 4). The following results were obtained. 1. Without regard to the loading condition, greater stress was concentrated at the cortical bone contacting the upper part of the implant fixture and lower stress was taken at the cancellous bone. 2. When off-axis loading was applied, high stress concentration observed in cervical area. 3. GSG showed even stress distribution in crown, abutment and fixture. GST showed high stress concentration in fixture and abutment screw. GSC showed high stress concentration in fixture and abutment. 4. Maximum von Mises stress in the surrounding bone had no difference among three abutment type. In GS II$^{(R)}$ conical implant system, different stress distribution pattern was showed according to the abutment type and the stress-induced pattern at the supporting bone according to the abutment type had no difference among them.
In the internal connection system, the loading transfer mechanism within the inner surface of the implant and also the stress distribution occuring to the mandible can be changed according to the abutment form. Therefore it is thought to be imperative to study the difference of the stress distribution occuring at the mandible according to the abutment form. The purpose of this study was to assess the loading distributing characteristics of three different abutments for GS II$^{(R)}$ implant fixture(Osstem, Korea) under vertical and inclined loading using finite element analysis. Three finite element models were designed according to three abutments; 2-piece Transfer$^{TM}$ abutment made of pure titanium(GST), 2-piece GoldCast$^{TM}$ abutment made of gold alloy(GSG), 3-piece Convertible$^{TM}$ abutment with external connection(GSC). This study simulated loads of 100N in a vertical direction on the central pit(load 1), on the buccal cusp tip(load 2) and $30^{\circ}$ inward inclined direction on the central pit(load 3), and on the buccal cusp tip(load 4). The following results were obtained. 1. Without regard to the loading condition, greater stress was concentrated at the cortical bone contacting the upper part of the implant fixture and lower stress was taken at the cancellous bone. 2. When off-axis loading was applied, high stress concentration observed in cervical area. 3. GSG showed even stress distribution in crown, abutment and fixture. GST showed high stress concentration in fixture and abutment screw. GSC showed high stress concentration in fixture and abutment. 4. Maximum von Mises stress in the surrounding bone had no difference among three abutment type. In GS II$^{(R)}$ conical implant system, different stress distribution pattern was showed according to the abutment type and the stress-induced pattern at the supporting bone according to the abutment type had no difference among them.
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문제 정의
본 연구는 하악 구치부에서 이중나사 구조를 갖고 내측연결 시스템인 GSII(Osstem, Korea) 임플란트의 세 가지 지대주 종류에 따른 유한요소 응력분석 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
GS II(Osstem, Korea) 임플란트는 고정체가 micro thread와 macro thread로 이루어진 이중나사(dual thread) 구조를 갖고 고정체와 지대주가 11° 원추형 연결형태를 갖는다. 본 연구에서는 티타늄 소재의 2-piece TransferTM abutment, 금합금 소재의 2-piece GoldCastTM abutment, 그리고 외부 연결형태를 가진 3-piece ConvertibleTM abutment 이 세 가지 지대주가 재질과 연결 형태가 달라 이에 따른 응력 분포가 어떻게 다른지 유한 요소 분석법을 통해 알아보았다. 하중에 대한 응력과 변위를 연구하는 방법에는 스트레인 게이지법, 브리틀 코팅법, 홀로그래피, 므와레 분석법, 광탄성 분석법, 그리고 유한요소법이 있다.
가설 설정
또한 골의 흡수와 개조 등 하중에 따른 동적인 골재형성도 수학적인 재현이 어렵고 유한 요소 응력분석을 이용해 계산된 응력 수치는 반드시 실제 수치와 일치하지 않는다.31) 이런 유한 요소 분석법의 한계 외에도 본 연구에서는 시멘트 합착형과 나사유지형의 영향을 배제했는데 실제 임상에서는 지대주의 형태, 연결방식, 재질 뿐 아니라 access hole에 따른 영향이 있을 것이다. 따라서 실제 임상에서 어떻게 영향을 줄 수 있는지 더 연구가 필요하리라 사료된다.
유한요소를 이용한 응력분석법은 모델의 단순화와 응력의 수치적 계산을 위해 모형의 물리적 특성은 재료의 기계적 특성이 균일하다는 균질성(homogenecity), 재료의 특성은 세 방향으로 동일하다는 등방성(isotropy), 구조의 변형이나 변위는 적용된 힘에 비례하고 변위정도에는 무관하다는 선형 탄성(linear elasticity)을 갖는 것으로 가정하였다. 각 재료의 물성치는 오스템사의 Instron machine을 이용한 수치와 다른 연구 자료를 참고하였다.
제안 방법
재질과 연결 방식이 다른 세 종류의 지대주를 선택하여 유한요소 모형화 하였다. 5.5mm 높이의 순수 티타늄 소재의 TransferTM 지대주에 금 합금 크라운을 합착한 형태(GST), 금 합금 소재의 GoldCastTM 지대주에 금 합금 크라운을 나사유지형으로 한 형태(GSG), 티타늄 합금 소재의 ConvertibleTM 지대주에 금 합금 실린더와 금 합금 크라운을 나사 유지형으로 한 형태(GSC)를 설계하였다.(Table I, Fig.
경계조건으로 하악 치조골의 내부 경계선은 움직임이 전혀 발생하지 않도록 하기 위해 하악골 양쪽 모서리 부분의 절단면부분을 Ux, Uy, Uz 방향으로 모두 구속하였고, 총 4가지 하중조건을 적용하였다(Fig. 2).
본 연구에서 삼차원 유한요소모형의 초기 모델링은 모델링 전문기구인 Iron CAD를 사용하여 표면작업을 하였다. 상업용 유한요소 코드인 3G.Author(PlassoTech Corperation, USA)를 사용하여 유한요소 격자(mesh)작업과 선형적 구조해석을 하여 각 모형의 응력 분포 양상을 비교하고 각 구성 성분별로 유효 응력값을 비교하였다.
지금까지의 연구 대부분이 임플란트와 지대주의 연결부분과 임플란트와 주위골과의 관계에 집중되어 있으며, 상부 보철물을 달리할 때의 연구는 드문 편이다. 이에 본 연구에서는 이중 나사 구조의 원추형 내측 연결 임플란트인 GS IIⓇ(Osstem, Korea)에서 지대주의 연결방식과 재질을 달리했을 때 지지골, 임플란트, 상부 보철물에 나타나는 응력분포 양상을 삼차원 유한요소 분석법을 통해 비교분석하였다.
인공치관은 금합금 치관으로 하였으며 나사 유지형과 시멘트 합착형의 영향을 배제하기 위해 모두 hole이 없도록 설계하고 시멘트의 공간도 부여하지 않았다.
재질과 연결 방식이 다른 세 종류의 지대주를 선택하여 유한요소 모형화 하였다. 5.
본 연구의 모델은 하악골의 제 1대구치 부분을 제거하고 이 부위에 임플란트를 식립하여 수복하는 것을 대상으로 하였다. 하악 제 1대구치를 포함한 전체 20mm의 절편을 채득하여 에폭시 레진에 매몰한 후 1mm 간격의 절단두께로 자른 다음 전산화 단층 촬영하여 실제와 같은 삼차원적 구조재현을 위한 기초 자료로 삼았다. 촬영된 단면의 수는 20개였으며 이 절단면들의 평면 형태를 환등기로 비추어 모눈종이 상에서 트레이싱하여 균일한 외형과 피질골 두께를 갖는 하악골 모형을 완성하였다.
유한요소를 이용한 응력분석법은 모델의 단순화와 응력의 수치적 계산을 위해 모형의 물리적 특성은 재료의 기계적 특성이 균일하다는 균질성(homogenecity), 재료의 특성은 세 방향으로 동일하다는 등방성(isotropy), 구조의 변형이나 변위는 적용된 힘에 비례하고 변위정도에는 무관하다는 선형 탄성(linear elasticity)을 갖는 것으로 가정하였다. 각 재료의 물성치는 오스템사의 Instron machine을 이용한 수치와 다른 연구 자료를 참고하였다.6)(Table Ⅱ)
내측 연결 형태이며 이중 나사 구조를 갖는 직경 4.0mm, 길이 11.5mm의 GS IIⓇ(Osstem, Korea)를 고정체로 설정하였다.
본 연구의 모델은 하악골의 제 1대구치 부분을 제거하고 이 부위에 임플란트를 식립하여 수복하는 것을 대상으로 하였다. 하악 제 1대구치를 포함한 전체 20mm의 절편을 채득하여 에폭시 레진에 매몰한 후 1mm 간격의 절단두께로 자른 다음 전산화 단층 촬영하여 실제와 같은 삼차원적 구조재현을 위한 기초 자료로 삼았다.
하악 제 1대구치 부위에 직경 4mm의 나사형 임플란트 1개가 식립된 모형에 그 위에 연결되는 지대주, 보철물 및 주변 악골을 3차원 형상으로 제작하였다. 하악골의 외측은 피질골, 내측은 해면골로 구분하였으며 치밀골의 두께는 2mm로 하였다.
이론/모형
본 연구에서 삼차원 유한요소모형의 초기 모델링은 모델링 전문기구인 Iron CAD를 사용하여 표면작업을 하였다. 상업용 유한요소 코드인 3G.
성능/효과
1. 하중조건에 관계없이 응력은 주로 지대주와 고정체가 접촉하는 경부에 집중되었다.
2. 하중조건에 관계없이 치밀골에 큰 응력이 집중되고 해면골에는 매우 작은 응력이 나타났다.
3. 축하중보다 중심축을 벗어난 하중조건에서 더 높은 응력이 발생되었고 경사하중에서 수직하중보다 더 높은 응력이 발생되었다.
4. 전체에 걸친 최대응력은 GSG에서는 지대주, 치관 및 고정체에 고르게 분포되었고 GST는 주로 고정체와 지대주 나사에, GSC는 고정체와 지대주에 집중되었다.
5. 지대주 간 골내의 최대응력에는 유의한 차이가 없었다.
GSG에서는 지대주 상단과 경부에 응력이 집중되었는데 특히 지대주 상단에 큰 응력 집중을 보였다. GST, GSG에서는 지대주의 상단과 경부에 응력이 집중되었고, GSC에서는 지대주에 금합금 cylinder가 올라가는 butt joint 부위에 큰 응력이 나타났다.
응력이 가장 많이 걸리는 치밀골에서의 등가 응력을 비교했을 때 GSG에서의 응력이 가장 작았는데 이는 치관, 지대주, 및 고정체에 응력이 고르게 분포되어 골에는 작은 응력이 걸린 것이라 생각된다. 골내의 최대응력은 수직 하중에서는 세 지대주 모두 비슷하고, 경사 하중시에는 다른 두 지대주에 비해 GSC에서 응력이 약간 적었다. 그러나 이 결과만으로 세 지대주 중 특정지대주가 악골내 응력 분포에 유리하다고 단정짓기는 힘들고 다만 GSG가 전체적인 응력 분포에는 더 유리한 것으로 나타났다.
골내의 최대응력은 수직 하중에서는 세 지대주 모두 비슷하고, 경사 하중시에는 다른 두 지대주에 비해 GSC에서 응력이 약간 적었다. 그러나 이 결과만으로 세 지대주 중 특정지대주가 악골내 응력 분포에 유리하다고 단정짓기는 힘들고 다만 GSG가 전체적인 응력 분포에는 더 유리한 것으로 나타났다.
중심와에 수직하중이 가해진 하중조건 1의 경우 모형 전체에 걸쳐 임플란트의 장축으로 응력이 고르게 분산되는 양상을 보이며, 편측 수직하중(하중조건 2)의 경우 하중이 가해진 편측으로 치경부에 높은 응력이 집중되고, 중심와에 경사하중이 가해진 하중조건 3의 경우 하중이 가는 방향으로 치경부에 응력이 집중되었고 협측교두정에 경사하중이 가해진 하중조건 4의 경우도 하중조건 3과 유사한 양상을 보였다. 지대주별로는 GSG에서 전체적으로 작은 응력을 보였다.
지대주 나사에서는 GST에서 가장 큰 응력이 집중되었는데 하중조건 2와 하중조건 3에서 나사의 몸체와 두부에 매우 큰 응력이 나타났고 GSG는 나사에는 별로 응력이 집중되지 않았다. GSC의 cylinder 나사에는 경사하중시 나사의 목과 나나산 부위에 큰 응력을 보였다.
지대주 종류나 하중조건에 관계없이 모두 지지골 상부인 치밀골 부위에 응력이 집중되는 양상을 보이며 하중조건별로 수직하중보다 굽힘력이 걸리는 경사하중이 가해졌을 때 편측으로 큰 응력이 집중되었다. 경사하중의 경우 하중이 가는 방향(설측)에 큰 응력이 집중되고 협측 교두정 수직하중(하중조건 2)의 경우 협측에 더 큰 응력을 보였다.
후속연구
이와 더불어 전체 보철물과 고정체의 응력 분포와 치조골의 하중 반응을 고려해야 할 것이다. 본 연구 결과를 임상에서 그대로 적용하기에는 유한요소 응력분석의 한계가 있다. 환자마다 교합관계와 악골의 형태가 다양해서 본 연구결과를 일률적으로 적용시키기는 어렵고 현재 모형은 완전한 골 유착을 가정하였으나 실제 임상에서 골 유착의 정도는 다양하며 골유착의 정도가 낮으면 응력은 커진다.
GSG에서는 응력이 지대주, 치관 및 고정체에 고르게 분포되었다. 이는 크라운과 지대주의 재질이 동일하고 그 연결이 긴밀하여 하중이 바로 전달된 결과가 아니가 생각되며, 응력이 고르게 분포는 되었으나 GST나 GSC에 비해 상대적으로 치관과 지대주에 나타난 응력이 크므로 보철물의 재료 선택시 이 부위의 강도 보강을 고려해야 할 것으로 사료된다. 또 지대주의 상단에 큰 응력이 나타나는데 원래 GSG는 나사 유지형으로 access hole을 레진으로 채우게 되면 이 부위에 응력이 집중되어 레진이 깨지는 결과를 초래할 수도 있어 유의해야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
입플란트 보철물에 있어서 하중의 분산요인에는 어떤 것들이 있는가?
따라서 하중과 생체 역학적인 관계가 조화를 이루지 못하면 임플란트와 악골간의 결합 파괴, 보철물 자체의 손상, 변연 지지골의 흡수 등의 문제를 야기하게 되므로 임플란트 보철물이 성공적으로 유지되기 위해서는 생체의 하중 부담 한계를 넘지 않는 범위 내에서 응력이 적절히 분산될 수 있도록 설계해야 한다. 그리고 이러한 하중의 분산요인으로 임플란트 자체의 형태와 재료, 개수, 위치, 각도, 그리고 상부 보철물의 재료와 형태 등이 있으며, 임플란트와 상부 보철물의 연결구조 또한 악골에서의 응력 분산에 영향을 끼친다.7,8)
임플란트와 지대주의 접촉 연결 방법 중 내측연결 시스템은 무엇인가?
외측연결 시스템은 임플란트 고정체의 상부에 존재하는 육각부위에 지대주를 연결하고 나사로 고정하는 방식이다. 내측연결 시스템은 임플란트 고정체 내부로 지대주의 일부가 들어가서 연결되는 방식으로 연결 접촉부 사이에 약간의 공간이 존재하고 연결이 수동적인 방식(slip-fit joint)과 연결 접촉부 사이에 공간이 없는 능동적인 방식(friction-fit joint)가 있다.6)
골유착이 성공된 이후에 나타나는 치과 임플란트의 기계적인 실패 요인이 발생하는 이유는 무엇인가?
골유착이라는 관점에서는 대부분 높은 성공률을 보이고 있으나 골유착이 성공된 이후에도 기계적인 문제점이 빈번한 실패 요인으로 나타나고 있다.1-6) 보철물이 외부 하중을 받게 되면 내부 반응으로 응력이 발생되는데 이때 응력은 하중이 가해진 해당 부위에 분산되므로 임플란트에 가해진 하중도 결과적으로 지지조직에 응력으로 나타나게 된다. 자연치에서는 치주인대의 완압효과로 인해 주로 치관부에 응력이 집중되나 임플란트는 결체조직의 개재없이 골과 유착되므로 가해진 하중의 완화작용없이 임플란트의 장축을 따라 분산되기 때문인 것으로 사료된다.
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