임플란트 나사선 경사각과 식립 각도에 따른 3차원 유한요소 응력분석 Three-dimensional finite element analysis of stress distribution for different implant thread slope and implant angulation원문보기
연구 목적: 임플란트 나사선 경사각이 치조골의 응력분포에 미치는 영향을 검토하여 어떤 임플란트가 응력분산에 유리한 지 알아보고자 하였다. 연구 재료 및 방법: 피치는 0.8 mm로 일정하게 하고 나사선의 줄(thread) 수를 다르게 하여 나사선 경사각의 변화를 준 1줄 나사선 임플란트(single thread type: 경사각 $3.8^{\circ}$)와 2줄 나사선 임플란트(double thread type: 경사각 $7.7^{\circ}$) 그리고 3줄 나사선 임플란트(triple thread type: 경사각 $11.5^{\circ}$)의 세 가지 모델을 통해 3차원 유한요소 응력분석을 시행하였다. 임플란트가 치조골의 치아 장축에 대하여 $0^{\circ}$, $10^{\circ}$, $15^{\circ}$ 경사지게 식립된 것으로 가정하여 9 가지 모델을 만들었다. 200 N의 수직 방향의 하중과, 200 N의 임의의 $15^{\circ}$ 경사 하중을 가한 경우에 임플란트와 치조골에서 발생된 응력분포를 3차원 유한요소법으로 분석하였다. 결과:1. 임플란트의 경사 식립 각도가 클수록 치조골과 임플란트의 등가응력(von-Mises stress)과 최대주응력이 높게 나타났다. 2. 수직하중보다 경사하중을 가할 경우 치조골과 임플란트의 등가응력과 최대주응력이 높게 나타났다. 3. 임플란트의 나사선 줄 수가 증가할수록 응력분산 효과가 커서 등가응력과 최대주응력의 크기가 감소되었다. 4. 치조골에 작용하는 최대주응력의 크기는 수직하중 시에나 경사하중 시에 3줄 나사선을 가진 임플란트가 가장 작고 다음으로 2줄 또는 1줄 나사선의 순으로 나타나 3줄 나사선의 경우가 가장 우수한 결과를 보였다. 결론: 이상의 결과는 3줄 나사선 임플란트가 1줄 및 2줄 나사선 임틀란트보다 응력분산 효과 면에서 우수하며, $10^{\circ}$ 이상 경사지게 식립된 경우에라도 나사선 경사각이 커지면서 줄 수가 증가할수록 치조골에서 발생하는 최대 주응력 값이 감소하므로 임플란트 나사선 줄 수와 경사각을 최적화함으로써 임플란트 응력분산에 도움이 될 수 있음을 시사하였다.
연구 목적: 임플란트 나사선 경사각이 치조골의 응력분포에 미치는 영향을 검토하여 어떤 임플란트가 응력분산에 유리한 지 알아보고자 하였다. 연구 재료 및 방법: 피치는 0.8 mm로 일정하게 하고 나사선의 줄(thread) 수를 다르게 하여 나사선 경사각의 변화를 준 1줄 나사선 임플란트(single thread type: 경사각 $3.8^{\circ}$)와 2줄 나사선 임플란트(double thread type: 경사각 $7.7^{\circ}$) 그리고 3줄 나사선 임플란트(triple thread type: 경사각 $11.5^{\circ}$)의 세 가지 모델을 통해 3차원 유한요소 응력분석을 시행하였다. 임플란트가 치조골의 치아 장축에 대하여 $0^{\circ}$, $10^{\circ}$, $15^{\circ}$ 경사지게 식립된 것으로 가정하여 9 가지 모델을 만들었다. 200 N의 수직 방향의 하중과, 200 N의 임의의 $15^{\circ}$ 경사 하중을 가한 경우에 임플란트와 치조골에서 발생된 응력분포를 3차원 유한요소법으로 분석하였다. 결과:1. 임플란트의 경사 식립 각도가 클수록 치조골과 임플란트의 등가응력(von-Mises stress)과 최대주응력이 높게 나타났다. 2. 수직하중보다 경사하중을 가할 경우 치조골과 임플란트의 등가응력과 최대주응력이 높게 나타났다. 3. 임플란트의 나사선 줄 수가 증가할수록 응력분산 효과가 커서 등가응력과 최대주응력의 크기가 감소되었다. 4. 치조골에 작용하는 최대주응력의 크기는 수직하중 시에나 경사하중 시에 3줄 나사선을 가진 임플란트가 가장 작고 다음으로 2줄 또는 1줄 나사선의 순으로 나타나 3줄 나사선의 경우가 가장 우수한 결과를 보였다. 결론: 이상의 결과는 3줄 나사선 임플란트가 1줄 및 2줄 나사선 임틀란트보다 응력분산 효과 면에서 우수하며, $10^{\circ}$ 이상 경사지게 식립된 경우에라도 나사선 경사각이 커지면서 줄 수가 증가할수록 치조골에서 발생하는 최대 주응력 값이 감소하므로 임플란트 나사선 줄 수와 경사각을 최적화함으로써 임플란트 응력분산에 도움이 될 수 있음을 시사하였다.
Purpose: The purpose of this study was to find an inclination slope of the screw thread that is favorable in distributing the stresses to alveolar bone by using three dimensional finite element analysis. Materials and methods: Three types modelling changed implant thread with fixed pitch of 0.8 mm i...
Purpose: The purpose of this study was to find an inclination slope of the screw thread that is favorable in distributing the stresses to alveolar bone by using three dimensional finite element analysis. Materials and methods: Three types modelling changed implant thread with fixed pitch of 0.8 mm is the single thread implant with $3.8^{\circ}$ inclination, double thread implant with $7.7^{\circ}$ inclination and the triple thread implant with $11.5^{\circ}$ inclination. And three types implant angulation is the $0^{\circ}$, $10^{\circ}$ and $15^{\circ}$ on alveolar bone. The 9 modelling fabricated for three dimensional finite element analysis that restored prosthesis crown. The crown center applied on 200 N vertical load and $15^{\circ}$ tilting load. Results: 1. The more tilting of implant angulation, the more Von-Mises stress and Max principal stress is increasing. 2. Von-Mises stress and Max principal stress is increasing when applied $15^{\circ}$ tilting load than vertical load on the bone. 3. When the number of thread increased, the amount of Von-Mises stress, Max principal stress was reduced since the generated stress was effectively distributed. 4. Since the maximum principal stress affects on the alveolar bone can influence deeply on the longevity of the implants. When comparing the magnitude of the maximum principal stress, the triple thread implant had a least amount of stress. This shows that the triple thread implant gave a best result. Conclusion: A triple thread implant to increase in the thread slope inclination and number of thread is more effective on the distribution of stress than the single and double thread implants especially, implant angulation is more tilting than $10^{\circ}$ on alveolar bone. Thus, effective combination of thread number and thread slope inclination can help prolonging the longevity of implant.
Purpose: The purpose of this study was to find an inclination slope of the screw thread that is favorable in distributing the stresses to alveolar bone by using three dimensional finite element analysis. Materials and methods: Three types modelling changed implant thread with fixed pitch of 0.8 mm is the single thread implant with $3.8^{\circ}$ inclination, double thread implant with $7.7^{\circ}$ inclination and the triple thread implant with $11.5^{\circ}$ inclination. And three types implant angulation is the $0^{\circ}$, $10^{\circ}$ and $15^{\circ}$ on alveolar bone. The 9 modelling fabricated for three dimensional finite element analysis that restored prosthesis crown. The crown center applied on 200 N vertical load and $15^{\circ}$ tilting load. Results: 1. The more tilting of implant angulation, the more Von-Mises stress and Max principal stress is increasing. 2. Von-Mises stress and Max principal stress is increasing when applied $15^{\circ}$ tilting load than vertical load on the bone. 3. When the number of thread increased, the amount of Von-Mises stress, Max principal stress was reduced since the generated stress was effectively distributed. 4. Since the maximum principal stress affects on the alveolar bone can influence deeply on the longevity of the implants. When comparing the magnitude of the maximum principal stress, the triple thread implant had a least amount of stress. This shows that the triple thread implant gave a best result. Conclusion: A triple thread implant to increase in the thread slope inclination and number of thread is more effective on the distribution of stress than the single and double thread implants especially, implant angulation is more tilting than $10^{\circ}$ on alveolar bone. Thus, effective combination of thread number and thread slope inclination can help prolonging the longevity of implant.
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문제 정의
8mm로 동일하게 하면서, 나사선 줄수를 증가시키면 나사선 수나 표면적 등을 같게 변수를 최소화할 수 있다. 결과적으로 다른 변수는 동일하게 하고 나사선 경사각의 변화에 따른 세종류의 임플란트에서 치조골 응력분포의 변화를 관찰하고자 하였다.
본 연구에서는 임플란트에 외력이 가해질 때 임플란트와 치조골에서 발생되는 응력분포를 조사하기 위한 모형을 설계하였다. Fig.
가설 설정
또한 10mm 길이의 임플란트가 치조골에 유착된 부위는10 - 9.75mm로, 수직 방향으로 0°, 10°, 15° 각도로 경사지게 식립 되었을경우 collar 부위가 2mm인 지대주가 0°, 10°, 15°로 식립된 임플란트를 보상하면서 상부 보철물이 치아 장축에 대해 이상적으로 수복되는 것으로 가정하였다.
지금까지 임플란트와 관련된 연구와 자료는 방대하나 동일한 조건에서 나사선 경사각(나사선의 리드각)만 달리하고 임플란트의 표면적, 나사선수, 피치의간격, 나사산모양, 매식체직경과 길이 등 변수를 통일한 3차원 연구는 아직까지 보고된 바 없다. 또한 실제 임상에서 치아 장축에 평행한 이상적인 식립은 어려우므로 이를 고려하여 경사식립된 경우를 가정하여 연구를 시행하였다. 본연구에서는 응력분산에 유리한 임플란트 나사선 경사각을 알아보기 위하여 3가지 형태의 임플란트 나사선 경사각과 3가지식립 각도를 조합하여 9가지모델에서 3차원 유한요소 분석을 통하여 응력분포에 미치는 영향과 응력 분포결과의 차이를 비교하였다.
매식체와 치조골은 재료의 특성이 3축방향으로 동일하다는 등방성(isotropy), 기계적 특성이 균일하다는 균질성(homogenecity), 구조의 변형이나 변위는 적용된 힘에 비례한다는 선형 탄성(linear elasticity)을 갖는 것으로 가정하였다. 매식체와 치조골 사이의 경계에서는 응력의 변화가 급격하게 나타날 것으로 예측되어 가장자리보다 더 조밀하게 요소와 절점을 부여하였다.
3 mm인 치근형 형태로 제작하였다. 임플란트 모델의 길이는 10 mm이지만 나사선 경사각이 치조골 응력분포에 미치는 영향을 알아보기 위하여 10 - 9.75mm 길이만큼 골유착된 것으로 가정하였다.
치밀골, 해면골, 금합금과 Titanium (Ti-6Al-4V)의 물성(탄성계수, poisson' ratio)은 Table 1에 나타낸 바와 같은 값을 적용시켰고 온도와는 무관한 것으로 가정하였다.
임플란트 매식체와 상부 보철물은 본 연구에서 관찰하고자 하는 부위가 아니므로 상부 구조물과 시멘트용 지대주, 임플란트 매식체는 완전히 결합된 상태로 설정하였다. 한편 본 연구의 악골모형은 치밀골과 해면골로 가정하여 임플란트와 골과의 접촉면이 완전히 골유착된것으로 가정하여 절점을 공유시켰다. 치밀골, 해면골, 금합금과 Titanium (Ti-6Al-4V)의 물성(탄성계수, poisson' ratio)은 Table 1에 나타낸 바와 같은 값을 적용시켰고 온도와는 무관한 것으로 가정하였다.
제안 방법
200 N의 수직하중(Load 1)을 가한 경우 응력분포 상태를 쉽게 알아보기 위해 치조골과 임플란트를 분리하여 분포도를 구하였다.
3에서 보여주는 해석 모델은 임플란트 매식체에 지대주를 연결한 모형에 상부보철물이 수복된 상태로 미국 치과의사 협회 규격 제 3형금 합금을 금관재료로 사용하였다. 가상의 악골은 하악제 1대 구치부위를 중심으로 방사선 단층촬영된 자료를 참조하여 3차원 하악골 모형을 만들었다. 또한 10mm 길이의 임플란트가 치조골에 유착된 부위는10 - 9.
경계 조건으로는 악골의 밑면을 완전히 고정하였고, 응력분포의 차이를 회색부터 적색까지 15단계의 색상으로 구분하여 도시하였다. 또한 응력의 양상을 x, y, z축으로 절단하여 전체적인 응력분포 양상을 관찰 비교할 수 있도록 하였다.
그러나 본 연구에서는 좀 더 세밀하고 정확한 응력분포를 알아보기 위하여 중심에서 0.8mm 떨어진 곳에서 중심을 향하는 임의의 가상선에 수직을 이루면서수직선(vertical)에 경사1 5°로 외력을 가하였다.
그리고 협설 방향으로 15°경사를 주어 중심에서 0.8mm 떨어진 곳에 200N의 하중을 가하였다(Load 2).
경계 조건으로는 악골의 밑면을 완전히 고정하였고, 응력분포의 차이를 회색부터 적색까지 15단계의 색상으로 구분하여 도시하였다. 또한 응력의 양상을 x, y, z축으로 절단하여 전체적인 응력분포 양상을 관찰 비교할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 임플란트 나사선의 경사각이 치조골의 응력 분포에 미치는 영향을 검토하여 응력 분산에 유리한 나사선 경사각을 알아보기 위해, 1줄 나사선 임플란트(single thread type:경사각 3.8°)와 2줄 나사선 임플란트(double thread type: 경사각 7.7°) 그리고 3줄 나사선 임플란트(triple thread type: 경사각11.5°)의 세 가지 경사각이 다른 모델을 세 가지 식립 각도에 따라 9가지 모델을 통해 3차원 유한요소법으로 분석하였다.
또한 실제 임상에서 치아 장축에 평행한 이상적인 식립은 어려우므로 이를 고려하여 경사식립된 경우를 가정하여 연구를 시행하였다. 본연구에서는 응력분산에 유리한 임플란트 나사선 경사각을 알아보기 위하여 3가지 형태의 임플란트 나사선 경사각과 3가지식립 각도를 조합하여 9가지모델에서 3차원 유한요소 분석을 통하여 응력분포에 미치는 영향과 응력 분포결과의 차이를 비교하였다.
또한 임플란트와 치조골의 관점에서 살펴보면 하중이 가해질때 임플란트가 치조골 내로 더 삽입되려는 경향이나 혹은 역회전되어 임플란트가 빠지려는 현상도 중심에서 벗어난 경사 하중을 가할 때 더 개연성이 있기 때문이다. 셋째, 하악골을 실사하여 모델링한 치조골에 실제임상에서 흔히 일어날 수 있는 경사 식립된 임플란트의 응력분산을 나사선 경사각의 변화와 조합하여 연구하였다.
실제 임상에서 치조골에 임플란트를 식립할 때 치아 장축에 평행한 이상적인 식립은 현실적으로 다양한 요인 즉, 치조제의 폭경과 높이, 술자의 테크닉 등에 의해 불가능하므로 임상적 기준에 맞춰 이상적인 식립각도인 0°, 10°, 15°의 3가지 모형을 설계하였다.
임플란트 매식체와 상부 보철물은 본 연구에서 관찰하고자 하는 부위가 아니므로 상부 구조물과 시멘트용 지대주, 임플란트 매식체는 완전히 결합된 상태로 설정하였다. 한편 본 연구의 악골모형은 치밀골과 해면골로 가정하여 임플란트와 골과의 접촉면이 완전히 골유착된것으로 가정하여 절점을 공유시켰다.
제작된9 가지모델에 상부보철물의 장축을 따라200N의 수직 하중을 가하였다(Load 1). 그리고 협설 방향으로 15°경사를 주어 중심에서 0.
본 연구에서는 모델링과정에서 기존의 연구들과 세가지 다른 설정을 하였다. 첫째, 유한요소 분석법을 이용하여 임플란트와 악골의 응력분포를 연구한 논문들에서 최대응력은 항상 치조골상부에 나타났으며16-18 본 연구에서도 같은 결과를 보였기에, 나사선 경사각에 의한 영향을 확실히 알아보기 위한 방법으로 나사선이 치조골 상방에 드러난 형태로 모델링하여 기존의 연구와 차이점을 두었다. 이는 나사선 상방까지 매식한 경우 최대 응력은 나사선에서 나타나는 것이 아니라 치조골 상방의 매식체 수준(fixture level)에 나타나게 되므로 나사선 경사각의 영향을 알아보기 힘들었기 때문이다.
대상 데이터
Fig. 3에서 보여주는 해석 모델은 임플란트 매식체에 지대주를 연결한 모형에 상부보철물이 수복된 상태로 미국 치과의사 협회 규격 제 3형금 합금을 금관재료로 사용하였다. 가상의 악골은 하악제 1대 구치부위를 중심으로 방사선 단층촬영된 자료를 참조하여 3차원 하악골 모형을 만들었다.
The model of the implant has the 0.8 mm pitch, 0.38 mm spiral ridge and 50° thread angle of a screw in the finite element model.
매식체와 치조골 사이의 경계에서는 응력의 변화가 급격하게 나타날 것으로 예측되어 가장자리보다 더 조밀하게 요소와 절점을 부여하였다. 모델에 사용된 유한요소는 4-절점 솔리드요소이며 사용된 요소 및 절점의 수는 Table 2와 같다.
데이터처리
유한요소 설계과정은 CATIA V5 프로그램을 이용하여 설계하였고 Preprocessor로는MSC. PATRAN 2005, 해석은 MSC.
이론/모형
PATRAN 2005, 해석은 MSC. NASTRAN 2005을 이용하여 해석하였다. 해석 결과로서 변위(displacement), 등가응력(equivalent stress), 주응력(principal stress)들을 볼 수 있게 하였다.
성능/효과
1. 임플란트 경사 식립 각도가 클수록 치조골과 임플란트의 등가응력(von-Mises stress)과 최대 주응력이 높게 나타났다.
10°경사지게 식립된 임플란트에 200 N의 수직 하중을 가했을때 치조골에 나타나는 등가응력은 1줄 나사에서는 임플란트 상단의 치밀골에서 최대응력이 51.8N/mm2였고 아래로 내려갈수록 응력이 점점 감소되었으며, 2줄 나사에서는 최대응력이 1줄 나사보다 약간 작은 51.5N/mm2였으며 3줄 나사의 경우 줄수가 늘어나면서 응력이 분산되기 때문에 최대응력은 50.9N/mm2로 가장 작았다.
10°경사지게 식립된 임플란트에 200N의 수직하중을 가했을때 임플란트에 발생되는 주응력선도를 보면 최대 인장응력이 임플란트 상단의 치밀골과 해면골이 만나는 부위에서 발생하였고, 최대 인장응력값이 1줄 나사에서는 38.7N/mm2, 2줄 나사에서는35.2N/mm2, 3줄 나사에서는 23.0N/mm2로 가장 작았다.
15° 경사지게 식립된 임플란트에 200N의 수직하중을 가했을때 임플란트에 나타나는 등가응력을 보면 최대응력의 크기가 1줄 나사에서는 89.8N/mm2, 2줄 나사에서는 91.3N/mm2, 3줄 나사에서는 80.4N/mm2로 3줄 나사선 임플란트에서 가장 작았다.
15°경사하중이 임플란트 상부중심으로부터 0.8mm 떨어진 편심하중으로 작용하므로 편심하중에 의해 임플란트를 회전시키는 방향으로 토크가 작용하기 때문에 수직하중의 경우보다 더 큰 인장응력이 발생되었고, 이 경우에도 치조골에 발생되는 최대 인장응력이 3줄 나사인 경우에 가장 낮게 나타났다.
치아 장축에 평행하게 식립된 임플란트에 200 N의 수직하중을 가했을때 치조골에 나타나는 등가응력(von-Mises stress)은 나사선의 줄 수가 많을수록 응력분포가 감소되는 것을 볼 수 있었다. 1줄 나사의 경우 치조정에서 최대응력이 32.63N/mm2였고 하부로 내려 갈수록 응력이 조금씩 감소되었으며, 2줄 나사의 경우 나사가 시작되는 상부에서 최대응력이 나타났고 응력의 최대치는 1줄 나사보다 약간 작은 32.2N/mm2였다. 3줄 나사의 경우 나사선 시작점에서 최대응력이 발생되었고 나사선을 따라 감소하였으며, 최대응력은29.
2. 수직하중보다 경사하중을 가할 경우 치조골과 임플란트의 등가응력과 최대주응력이 높게 나타났다.
200N의 15 ° 경사하중을 가한 경우 결과를 보면, 0°로 치아장축에 평행하게 식립된 모형에서 치조골에 나타난 등가응력의 최대치는1줄나사에서127N/mm2,2줄나사에서 137N/mm2 , 3줄 나사에서는 129N/mm2로 나타났다.
3. 임플란트의 나사선 줄 수가 증가할수록 응력 분산효과가 커서 등가응력과 최대주응력의 크기가 감소되었다.
3줄 나사에서는 2줄 나사와 유사하게 120°위상차를 갖는 시작점들에서 최대응력이 발생되었고 나사선을 따라 작아졌다.
4. 치조골에 작용하는 최대 주응력의 크기는 수직 하중 시나 경사 하중 시에 3줄 나사선을 가진 임플란트가 가장 작고 다음으로 2줄 또는 1줄 나사선의 순으로 나타나 3줄 나사선의 경우가 가장 우수한 결과를 보였다.
등가응력은 복잡한 하중이 가해질 때 재료의 항복응력을 구하는것으로 등가응력 값이작을수록 응력분산에 유리한 것은 사실이지만, 본 연구에서처럼 나사선의 경사각이 치조골의 응력분산에 미치는 영향을 보기위해서는 등가응력보다 최대인장응력 또는 최대 압축응력에 의해 영향을 많이 받게 된다. 그러므로 다시 주응력 선도를 고찰해 보면 수직 하중을 가했을 때 치조골에서 발생하는 최대인장응력은 1줄 나사에서는13.5N/mm2, 2줄 나사에서는 12.0N/mm2, 3줄 나사에서는 15.9N/mm2로 가장 크게 나타났다. 2줄 나사에서 가장 작으며 1줄 나사에서는 2줄 나사보다 더 큰 것을 볼 수 있었다.
또한 10°, 15°경사식립된 임플란트의 경우에도 경사하중을 가할 때 선형적 탄성을 보이면서 점진적으로 응력 값들이 증가했지만 임플란트와 치조골에서 최대 주응력 값은 3줄 나사선 임플란트가 가장 작아 우수한 응력분산을 보여주었다.
본 연구결과에서 치아 장축에 평행하게 0°로 식립된 모형에서 200N의 수직 하중을 가하였을 때 치조골에 발생되는 등가 응력의 분포를 보면, 1줄 나사의 경우 나사선이 시작하는 곳에서 최대응력(32.63 N/mm2 )이 나타났고 아래로 내려갈수록 응력이 조금씩 작아지는 1줄 나사의 전형적인 응력분포를 보였으며, 2줄 나사의 경우 나사가 시작되는 180°위상이 다른위치에서 대칭적인 응력이 나타났으며 최대응력도 약간 작은 32.2N/mm2로 나타났다.
이상의 결과는 1줄, 2줄 나사선 임플란트 보다는 3줄 나사선 임플란트가 응력 분산 효과면에서 우수하다고 판단되고, 특히 10° 이상 경사지게 식립되어 있는 경우에라도 나사선 경사각이 커지면서 줄 수가 증가할수록 치조골에서 발생하는 최대 주응력 값이 감소하여 유리한 결과가 되므로, 줄 수와 경사각을 최적화함으로써 임플란트 응력 분산에 도움이 될 것임을 시사하였다.
재료의 물성치와 비교해봤을 때, 모두 항복강도 인장강도의 범위에 속하는 값들이므로 10°, 15°로 경사지게 식립된 모델에서 크게 나타난 응력 값을 비교 분석하는 것이 유의할 것으로 생각되며, 분산 효과를 비교함에 있어 3줄 나사선 임플란트가 가장 유리한 것으로 나타났다.
최대 인장응력 값이 클수록 치조골에 미치는 영향이 크므로 치조골에 미치는 영향을 감안한다면 2줄 나사가 가장 좋은 결과라고 볼 수 있겠지만, 10° 경사식립모형에서 최대인장응력값이 1줄 나사에서 20.6N/mm2, 2줄 나사에서 20.2N/mm2 , 3줄 나사에서는 15.4N/mm2를 나타냈고 15°경사 식립된 경우, 최대 인장응력 값은 1줄 나사에서 24.3N/mm2, 2줄 나사에서 28.6N/mm2, 3줄 나사에서는 20.8N/mm2로 3줄 나사선 임플란트에서 가장 적은 응력이 발생되는 것을 볼 수 있었다.
15° 경사지게 식립된 임플란트에 200N의 수직하중을 가했을때 임플란트에 나타나는 주응력선도를 보면 최대인장응력이 임플란트 상단부에서 발생하는 것을 볼 수 있고 이는 임플란트가 치아장축에 평행하게 식립되었을 경우 하단에 최대주 응력이 발생하지만, 경사지게 식립될수록 인장응력이 하단부보다 상부에서 나타나게 된다. 최대인장응력 값은 1줄 나사에서는45.0N/mm2, 2줄 나사에세는 41.7N/mm2, 3줄 나사에서는 27.1N/mm2로 가장 작았다(Fig. 6).
9N/mm2였다. 최대인장응력은 치밀골과 해면골의 경계부에서 관찰되었고, 3줄 나사에서 가장 크게 나타났다.
치아 장축에 평행하게 식립된 임플란트에 200 N의 수직하중을 가했을때 치조골에 나타나는 등가응력(von-Mises stress)은 나사선의 줄 수가 많을수록 응력분포가 감소되는 것을 볼 수 있었다. 1줄 나사의 경우 치조정에서 최대응력이 32.
치아 장축에 평행하게 식립된 임플란트에 200N의 15° 경사하중을 가했을때 치조골의 주응력선도를 보면 모두 치조골과 접하는 치조정에서 응력집중이 나타났으며, 최대인장응력의 크기는 1줄 나사에서는 121N/mm2,2줄 나사에서는 123N/mm2로 가장컸고, 3줄 나사일때 106N/mm2로 가장 작았다.
치아 장축에 평행하게 식립된 임플란트에 200N의 수직하중을 가했을 때 임플란트에 발생되는 등가응력을 보면, 최대응력의 크기는 1줄 나사에서는 44.3N/mm2, 2줄 나사에서는 46.6N/mm2, 3줄 나사에서는 44.5N/mm2로 나타났다.
치아 장축에 평행하게 식립된 임플란트에 200N의 수직하중을 가했을 때 임플란트에 발생되는 주응력선도를 보면, 최대 인장응력이 1줄 나사선과 2줄 나사선 임플란트에서는 나사선이 끝나는 하단부에서 발생하였고, 3줄 나사선 임플란트에서는 나사선 경사각이 커서 상부에 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 최대인장응력은 1줄 나사에서는 25.
치아장축에 10° 경사지게 식립된 임플란트에 200N의 15° 경사 하중을 가했을때 치조골에 발생하는 주응력선도를 보면 최대인장응력의 크기는 3줄 나사에서는 143N/mm2로 가장 작았고 1줄 나사에서는 163N/mm2, 2줄 나사에서는 177N/mm2로 가장 컸다.
치아장축에 10° 경사지게 식립된 임플란트에 200N의 15° 경사 하중을 가했을때 치조골에 발생하는 최대등가응력을 보면 1줄 나사에서는 152N/mm2, 2줄나사에서는165N/mm2, 3줄 나사에서는 154N/mm2였으며 1줄과 3줄 나사선 임플란트에서 비슷한값이 나타났다.
치아장축에 15° 경사지게 식립된 임플란트에 200N의 15° 경사 하중을 가했을때 임플란트에 발생하는 최대등가응력의 크기가 1줄 나사에서는 237N/mm2로 가장 컸고 2줄 나사에서는 213N/mm2,3줄 나사에서는 189N/mm2로 가장 작았다.
치아장축에 15° 경사지게 식립된 임플란트에 200N의 15° 경사 하중을 가했을때 임플란트에 발생하는 최대인장응력 값은 주응력선도를 보면 1줄 나사에서는 331N/mm2,2줄 나사에서는 271N/mm2, 3줄 나사에서는 186N/mm2로 순차적으로 작아졌다(Fig. 8).
치아장축에 15° 경사지게 식립된 임플란트에 200N의 15° 경사 하중을 가했을때 치조골에 발생하는 주응력 선도를 보면 최대인장응력의 크기는 2줄 나사에서는 206N/mm2로 가장 컸고, 1줄 나사에서는 184N/mm2,3줄 나사에서는 163N/mm2로 가장 작게 나타났다.
한편경사하중에 의해 임플란트에 나타나는 최대등가응력의 크기는1줄나사에서는181N/mm2로 가장 크게 나타났고 2줄 나사에서160N/mm2,3줄 나사에서는146N/mm2로 가장 작게 나타남을 관찰할 수 있었다.
후속연구
이상의 결과들을 종합해 보면 1줄 또는 2줄 보다는 3줄 나사선 임플란트가 응력 분산 효과면에서 우수하다고 판단되고, 3줄 나사처럼 경사각이 커지면서 줄 수가 늘어나면 치조골에 작용하는 주응력값이 오히려 감소하여 치조골에 유리한 응력분산 효과가 나타나므로, 줄 수와 경사각을 최적화하여 조합하면 임플란트 수명 연장에 도움이 될 것으로 생각된다. 현재 임상에서 사용되는 임플란트는 수 종류에 이르며 임플란트와 지대주의 연결 방식, 나사산의 모양, 피치간의 거리, 나사산 각 등 외형들도 매우 다양하다.
그러나 임플란트 나사선의 경사각과 나사선 줄 수의 조합에 관한 응력 분포에 대한 연구는 아직 보고된 바 없어, 경사각의 차이가 응력분포에 미치는 영향을 분석한 결과 상당한 차이가 있음을 볼 수 있었다. 향후 임플란트의 나사선 경사각에 있어서 최적의 경사각은 얼마인지, 나사선 피치와 경사각과의 연성효과(coupling effect), 그리고 줄 수와 경사각의 조합 등에 대하여 더 많은 연구가 필요할 것이라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
임플란트가 성공적인 기능을 수행하기 위한 요건에는 어떤 것들이 있는가?
1969년 Branemark에 의해 생체와 금속 간의 골유착 개념이 보고된 이후 많은 실험과 연구 그리고 임상적 적용을 통해 다양한 임플란트가 개발되었고, 현재 임플란트는 보편적으로 사용되는 치과 치료 술식이 되었다. 1,2 임플란트가 성공적인 기능을 수행하기 위해서는구성물질이 생체친화성을 가져야할뿐만 아니라 교합압에 충분히 견딜 수 있는 기계적, 공학적 강도를 가져야 한다. 3 또한 성공적인 임플란트 치료를 위해서는 초기 치유 과정 중에 얻어진 골유착을 장기간 유지하기 위하여 임플란트에 가해지는 교합력을 비롯한 외부하중에 적절히 반응할 수 있도록 설계되어야 하며, 더불어 임플란트 주위에 발생되는 염증반응의 조절도 중요하다.
구강 내 응력을 측정하기 위해 유한요소법을 많이 사용하는 이유는 무엇인가?
또한모델링(modeling)이 완성되면 하중 및 경계조건의 설정이 자유로워 구조적으로 복잡한 생체역학의 연구에 많이 이용된다. 역학적 반응을 구강 내에서 측정하는 것은 불가능하기 때문에 불규칙하고 복잡한 기하학적 형태와 다양한 물성치로 이루어지는 구조물에 대해 유한요소법이 많이 이용되고있다.13-15
임플란트와 치조골 간 골유착 파괴와 치조골 소실 등의 원인은 무엇인가?
3-5 그로 인해 임플란트와 치조골 간의 골유착 파괴와 치조골 소실 등이 발생할 수 있다. 3,5,6 이러한 현상의 가장 큰 원인은 임플란트와 치조골 사이에 발생하는 응력집중이며, 그외에도나사산의형태, 피치(pitch), 나사산의높이, 나사선의 경사각, 나사산 끝단의 폭, 그리고 임플란트 직경 등과 같은 요인에 의해 영향을 받는다. 따라서 임플란트의 성공률을 높이기 위해서는 임플란트 주변의 골 흡수에 대한 고려가 필수적이며, 저작압에 의해 임플란트와 주변 지지조직에 발생하는 응력에 대한 고려도 더욱 중요하다.
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