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문제 정의
- 그래서 본 연구자는 치과의 미세 다공질 임플란트와 정형외과의 macro 다공질 scaffold의 기전을 접목하여 보다 우수한 골융합을 가질 수 있는 다공질 임플란트를 설계하여 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 SLM법으로 가공하여 육각다공질로 설계된 임플란트의 역학적 평가를 위하여 일반형태의 임플란트와 육각다공질 임플란트를 이용하여 유한요소분석과 굽힘강도시험을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 선행연구를 통하여 취득한 결과를 이용하여 골용합이 우수한 scaffold의 형상을 가지는 다공질 임플란트를 CAD (Computer Aided Design)를 이용하여 설계하고, 설계된 다공질 임플란트를 유한요소법(Finite Element Method, FEM)으로 3차원 구조상의 역학적 분석을 실시하고 설계된 다공질 임플란트를 티타늄소재를 이용하여 SLM법으로 제작하여 만능시험기로 굽힘강도 시험을 통한 역학적 분석을 실시하여 다공질 임플란트의 역학적 평가를 하고자 한다.
제안 방법
- 32)를 물성치로 적용하였다. 3차원 유한요소 역학분석에서의 외력분석을 위하여 외부하중은 시편의 상부면에서 하부로 수직 하중방향을 설정하였고, 하중은 시편 상부면의 절점들에 분산한 분포하중을 설정하였다. 그리고 하중은 일반적으로 치아 하나에 받는 하중범위를 감안하여 200N과 500N을 설정하여 수직으로 분포하중을 주었다.
- 육각다공질의 임플란트(PI)와 일반적인 형태의 임플란트(NI)의 역학적 분석을 위하여 굽힘강도시험을 실시하였다. 굽힘강도시험은 만능시험기(Instron 8871, USA)를 사용하여 90도 굽힘강도 시험을 실시하였다. 시험은 각 시편 5개를 이용하였으며, 시편을 하부 jig에 고정하고 상부 jig를 1㎜/sec의 속도로 수직으로 하중을 가하여 시편이 파절될 때의 최대 하중값을 측정하였다(Table 2)(Fig.
- 하중에 의한 구속조건은 육면체의 최하단면의 절점 전체에 6방향의 자유도를 구속시켜 이동 및 회전이 없도록 하였다. 그리고 외부 하중 시 각 모델의 하중 조건에 따른 시편 내 최대 응력(von mises stress) 값의 크기와 위치를 분석하여 응력 값의 분포를 색깔로 나타내었다(Table 1)(Fig. 3).
- 설계된 다공질 임플란트의 형태는 직경 5㎜, 길이 12㎜의 screw type의 외형에 직경이 1㎜의 육각다공질을 형성하였다. 그리고 일반적인 형태의 임플란트는 육각다공질 임플란트에서 다공질을 제외하여 설계하였다(Fig. 1).
- 그러나 임플란트의 표면상태가 골융합 과정에 영향을 미치는 요소로 보고되면서 표면처리에 대한 연구가 활발해지기 시작하였다(Denissen, 1990). 기계적으로 가공된 임플란트에 표면처리를 실시한 임플란트가 개발되었으며, 이러한 임플란트는 금속소재인 임플란트 표면에 표면적의 증가와 골융합을 높이기 위하여 수산화인염을 코팅하는 방식으로 제작되었다. 그러나 수산화인염의 코팅표면은 초기에는 골융합이 높으나 장기간 관찰시 코팅물질이 용해되거나 박리되어 주위조직에 문제를 야기한다고 보고되었다(황하준, 2003; Oonishi et al, 1989).
- 임플란트의 유한요소에 의한 비교분석을 위하여 다공질의 임플란트와 일반적인 형태의 임플란트를 이용하여 설계시편을 준비하였다. 다공질 임플란트의 설계는 선행연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여 다공질의 형태와 크기를 설정하였다. 설계된 다공질 임플란트의 형태는 직경 5㎜, 길이 12㎜의 screw type의 외형에 직경이 1㎜의 육각다공질을 형성하였다.
- 굽힘강도시험은 만능시험기(Instron 8871, USA)를 사용하여 90도 굽힘강도 시험을 실시하였다. 시험은 각 시편 5개를 이용하였으며, 시편을 하부 jig에 고정하고 상부 jig를 1㎜/sec의 속도로 수직으로 하중을 가하여 시편이 파절될 때의 최대 하중값을 측정하였다(Table 2)(Fig. 4).
- 육각다공질 임플란트의 역학적 비교분석을 위하여 유한요소분석과 굽힘강도시험을 실시하였다. 유한요소분석은 분포하중에 의한 최대응력을 상부와 표면에서 측정하였다. 상부의 최대응력은 하중에 의한 직접적인 영향을 받는 부분이며, 표면은 하중에 의한 임플란트의 응력전달을 관찰할 수 있다.
- 육각다공질 임플란트의 역학적 비교분석을 위하여 유한요소분석과 굽힘강도시험을 실시하였다. 유한요소분석은 분포하중에 의한 최대응력을 상부와 표면에서 측정하였다.
- 육각다공질의 임플란트(PI)와 일반적인 형태의 임플란트(NI)의 역학적 분석을 위하여 굽힘강도시험을 실시하였다. 굽힘강도시험은 만능시험기(Instron 8871, USA)를 사용하여 90도 굽힘강도 시험을 실시하였다.
- 육각다공질의 임플란트와 일반적인 형태 임플란트의 굽힘강도시험을 실시하였다. 그 결과 PI시편의 파절강도는 평균 1,280(±251)N이며 NI시편의 파절강도는 평균 2,674(±60)N이 측정되었으며, 시편군 간에 유의차 (p<0.
- 육각다공질의 임플란트와 일반적인 형태 임플란트의 유한요소분석을 실시하였다. 그 결과 200N의 분포하중을 가한 PI200시편의 상부(upper)에서 최대응력 62.
- 육각다공질의 임플란트와 일반적인 형태의 임플란트를 유한요소분석을 실시하였다. 준비된 설계시편에 티타늄의 탄성계수(116㎬)와 푸아송비(0.
- 그리고 하중은 일반적으로 치아 하나에 받는 하중범위를 감안하여 200N과 500N을 설정하여 수직으로 분포하중을 주었다. 하중에 의한 구속조건은 육면체의 최하단면의 절점 전체에 6방향의 자유도를 구속시켜 이동 및 회전이 없도록 하였다. 그리고 외부 하중 시 각 모델의 하중 조건에 따른 시편 내 최대 응력(von mises stress) 값의 크기와 위치를 분석하여 응력 값의 분포를 색깔로 나타내었다(Table 1)(Fig.
대상 데이터
- 다공질 임플란트의 설계는 선행연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여 다공질의 형태와 크기를 설정하였다. 설계된 다공질 임플란트의 형태는 직경 5㎜, 길이 12㎜의 screw type의 외형에 직경이 1㎜의 육각다공질을 형성하였다. 그리고 일반적인 형태의 임플란트는 육각다공질 임플란트에서 다공질을 제외하여 설계하였다(Fig.
- 임플란트의 굽힘강도시험에 의한 비교분석를 위하여 육각다공질 임플란트와 일반적인 형태의 임플란트를 이용하여 임플란트 시편을 준비하였다. 육각다공질 임플란트는 설계를 통한 자료를 이용하여 Ti합금 분말(Ti-6Al7Nb powder type. MTT, Germany)로 제작하였으며, 일반적인 형태의 임플란트는 직경 5mm의 wide type 임플란트(USⅡ Plus implant, OSSTEM, Korea)를 준비하였다(Fig. 2).
- 임플란트의 굽힘강도시험에 의한 비교분석를 위하여 육각다공질 임플란트와 일반적인 형태의 임플란트를 이용하여 임플란트 시편을 준비하였다. 육각다공질 임플란트는 설계를 통한 자료를 이용하여 Ti합금 분말(Ti-6Al7Nb powder type.
- 임플란트의 유한요소에 의한 비교분석을 위하여 다공질의 임플란트와 일반적인 형태의 임플란트를 이용하여 설계시편을 준비하였다. 다공질 임플란트의 설계는 선행연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여 다공질의 형태와 크기를 설정하였다.
성능/효과
- 1. 유한요소분석에서 육각다공질의 임플란트가 일반형태의 임플란트에 비하여 응력차폐(stress shielding)가 우수한 것으로 나타났다.
- 2. 굽힘강도시험에서 육각다공질의 임플란트가 일반형태의 임플란트에 비하여 파절강도가 낮은 것은 단면적의 차이인 것으로 판단된다.
- 굽힘강도시험을 실시 후 파절된 시편의 형상을 관찰한 결과 PI시편은 굽힘이 없는 파절형상을 보였으며, NI시편은 굽힘이 있는 파절형상을 보였다(Fig. 7).
- 굽힘강도시험을 통하여 임플란트의 파절강도를 관찰한결과 육각다공질 임플란트인 PI시편의 파절강도가 일반적인 임플란트인 NI시편의 파절강도 보다 낮게 측정되었다. 하지만 파절강도 그래프에서 변위에 의하여 증가하는 하중의 기울기가 PI시편과 NI시편이 동일한 것으로 관찰되어 두 시편이 동일한 기계적 특성을 가지는 것으로 판단된다.
- 육각다공질의 임플란트와 일반적인 형태 임플란트의 유한요소분석을 실시하였다. 그 결과 200N의 분포하중을 가한 PI200시편의 상부(upper)에서 최대응력 62.58㎫이 그리고 표면(surface)에서 최대응력 5.21㎫이 측정되었으며, PI500시편의 상부에서는 최대응력 156.40㎫이 그리고 표면에서는 최대응력 13.04㎫이 측정되었다. 그리고 NI200시편의 상부에서 최대응력 13.
- 그 결과 PI시편의 파절강도는 평균 1,280(±251)N이며 NI시편의 파절강도는 평균 2,674(±60)N이 측정되었으며, 시편군 간에 유의차 (p<0.05)를 관찰할 수 있었다(Table 4)(Fig. 5)(Fig. 6).
- 이러한 결과는 PI200시편과 PI500시편이 NI200시편과 NI500시편에 비하여 응력차폐가 약 10배 높은 것으로 평가 할 수 있다. 그래서 육각다공질의 임플란트가 일반형태의 임플란트에 비하여 응력차폐가 우수하다는 것으로 판단된다. 저작에의하여 발생된 응력이 임플란트에서 조절이 되지 않으면 임플란트가 식립된 골조직의 응력집중현상이 일어나고 과도한 응력은 골융합을 저해할 수 있다(임정열 등, 2010; Akca, 2008; Bozkaya Muftu, 2004)는 보고를 토대로 본 연구결과를 분석하였을 때 응력차폐가 우수한 육각다공질 임플란트가 골융합에 도움을 주는 설계형상인 것으로 판단된다.
- 04㎫이 측정되었다. 그리고 NI200시편의 상부에서 최대응력 13.30㎫이 그리고 표면에서 최대응력 6.01㎫이 측정되었으며, NI500시편의 상부에서는 최대응력 33.25㎫이 그리고 표면에서는 최대응력 17.05㎫이 측정되었다(Table 3).
- 유한요소분석 결과에서 육각다공질 임플란트 시편군인 PI200시편에서 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 12배가 높게 나타났으며, PI500시편에서의 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 12배가 높게 나타났다. 그리고 일반적인 임플란트 시편군인 NI200시편에서 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 2배가 높게 나타났으며, NI500시편에서의 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 2배가 높게 나타났다. 이러한 결과는 PI200시편과 PI500시편이 NI200시편과 NI500시편에 비하여 응력차폐가 약 10배 높은 것으로 평가 할 수 있다.
- 응력전달은 저작에 의한 하중이 임플란트를 통하여 치조골에 얼마나 응력을 가하게 되는지 평가할 수 있다(임정열 등 2010). 유한요소분석 결과에서 육각다공질 임플란트 시편군인 PI200시편에서 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 12배가 높게 나타났으며, PI500시편에서의 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 12배가 높게 나타났다. 그리고 일반적인 임플란트 시편군인 NI200시편에서 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 2배가 높게 나타났으며, NI500시편에서의 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 2배가 높게 나타났다.
- 그리고 일반적인 임플란트 시편군인 NI200시편에서 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 2배가 높게 나타났으며, NI500시편에서의 상부의 최대응력이 표면에 비하여 약 2배가 높게 나타났다. 이러한 결과는 PI200시편과 PI500시편이 NI200시편과 NI500시편에 비하여 응력차폐가 약 10배 높은 것으로 평가 할 수 있다. 그래서 육각다공질의 임플란트가 일반형태의 임플란트에 비하여 응력차폐가 우수하다는 것으로 판단된다.
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