[논문]생체유사환경 하의 치과용 임플란트의 피로강도 평가 및 수명 향상법

김민건

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.3.259

생체유사환경 하의 치과용 임플란트의 피로강도 평가 및 수명 향상법
Fatigue Strength of Dental Implant in Simulated Body Environments and Suggestion for Enhancing Fatigue Life 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.3, 2014년, pp.259 - 267

초록
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치과용 임플란트를 대상으로 하여 건전환경 및 생체 내의 인자들을 유사하게 반영한 생체유사환경 하에서 피로시험을 수행하였다. 생체유사환경으로는 링거액 환경과 인공타액환경을 각각 사용하였다. 우선 건전환경과 생체유사환경 하에서의 피로수명 및 피로한도를 평가하였다. 또한 피로수명을 향상시킬 수 있는 한 가지 방법을 제안하였다. 인공타액 하에서의 피로수명이 링거환경보다 대체적으로 감소하였다. 시편에 대한 부식작용은 인공타액이 링거액보다 훨씬 크다. 이러한 부식의 차이가 두 경우의 피로수명의 차이로 나타난 것으로 판단된다. 질화처리된 지대주 나사의 질화경화층을 제거하고, 질소확산층을 최표면으로 하는 지대주 나사를 사용한 임플란트의 피로수명은 텅스텐카바이드를 코딩한 기존 제품에 비해 최대 8배의 피로수명 향상효과가 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fatigue tests were performed in various simulated body environments reflecting various factors (such as body fluids, artificial saliva) relevant within a living body. First, the fatigue limit under a simulated body environment (artificial saliva) was evaluated and the governing factors of implant fatigue strength were looked into by observing the fracture mode. The fatigue life of an implant decreased in the artificial saliva environment compared with that in the ringer environment. Furthermore, in the artificial saliva environment, the implant fracture mode was fatigue failure of fixture as opposed to the abutment screw mode in the ringer environment. In the fatigue test, corrosion products were observed on the implant in the simulated body environment. A larger amount of corrosion products were generated on the artificial saliva specimen than on the ringer specimen. It is thought that the stronger corrosion activity on the artificial saliva specimen as compared with that on the ringer specimen led to an overall decrease of fatigue life of the former specimen. In the case of the implant with a nitrided abutment screw eliminated hardened layer (TixN), a several times increase in fatigue life is achieved in comparison with tungsten carbide-coated implants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 장에서는, 지대주 나사의 풀림방지 목적을 상당 부분 달성하면서도 피로수명을 향상 시킬 수 있는 한 방법을 제안하고자 한다.
우선 건전환경과 생체유사환경 하에서의 피로한도를 평가하고, 파괴모드의 고찰을 통하여 임플란트의 피로수명의 지배인자를 규명하였다. 또한 피로수명을 향상시킬 수 있는 한 가지 방법을 제안하였다.
본 연구에서는, 건전 환경뿐만 아니라 위에서 언급한 생체내의 여러 인자들을 유사하게 반영한 생체유사환경 하에서 임플란트의 피로시험을 수행하였다. 즉, 생체유사환경의 인자로서 링거액과 인공타액을 각각 사용하여 피로시험을 수행하였다.
본 연구에서는, 현재 널리 사용되고 있는 치과용 임플란트를 대상으로 하여, 건전환경 및 생체 내의 인자들을 유사하게 반영한 생체유사환경 하에서 피로시험을 수행하였다. 생체유사환경으로는 링거액 환경과 인공타액환경을 각각 사용하였다.

제안 방법

생체환경을 모사한 세포외 조건(In vitro)에서 피로시험을 수행할 때는 일반적으로 가속시험조건이 적용된다. 가속시험조건은 실험적 결과를 바탕으로 부식피트의 최대크기를 통해 적용된 전류밀도와 부식시간과의 관계를 수식화한 연구 내용을 인용하였다.⁽⁶⁾
우선 건전환경과 생체유사환경 하에서의 피로한도를 평가하고, 파괴모드의 고찰을 통하여 임플란트의 피로수명의 지배인자를 규명하였다. 또한 피로수명을 향상시킬 수 있는 한 가지 방법을 제안하였다.
본 제안은 지대주 나사의 표면에 형성된 질화경화층(TixN)을 완전히 제거하여 질소확산층(α-Ti)이 지대주 나사의 최표면으로 노출되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 연구에서는, 현재 널리 사용되고 있는 치과용 임플란트를 대상으로 하여, 건전환경 및 생체 내의 인자들을 유사하게 반영한 생체유사환경 하에서 피로시험을 수행하였다. 생체유사환경으로는 링거액 환경과 인공타액환경을 각각 사용하였다. 우선 건전환경과 생체유사환경 하에서의 피로수명 및 피로한도를 평가하고, 파괴모드의 고찰을 통하여 임플란트의 피로강도의 지배인자를 규명하였다.
생체유사환경으로는 링거액 환경과 인공타액환경을 각각 사용하였다. 우선 건전환경과 생체유사환경 하에서의 피로수명 및 피로한도를 평가하고, 파괴모드의 고찰을 통하여 임플란트의 피로강도의 지배인자를 규명하였다. 또한 피로수명을 향상시킬 수 있는한 가지 방법을 제안하였다.
즉, 생체유사환경의 인자로서 링거액과 인공타액을 각각 사용하여 피로시험을 수행하였다. 우선 건전환경과 생체유사환경 하에서의 피로한도를 평가하고, 파괴모드의 고찰을 통하여 임플란트의 피로수명의 지배인자를 규명하였다. 또한 피로수명을 향상시킬 수 있는 한 가지 방법을 제안하였다.
본 연구에서는, 건전 환경뿐만 아니라 위에서 언급한 생체내의 여러 인자들을 유사하게 반영한 생체유사환경 하에서 임플란트의 피로시험을 수행하였다. 즉, 생체유사환경의 인자로서 링거액과 인공타액을 각각 사용하여 피로시험을 수행하였다. 우선 건전환경과 생체유사환경 하에서의 피로한도를 평가하고, 파괴모드의 고찰을 통하여 임플란트의 피로수명의 지배인자를 규명하였다.
지대주 나사를 이용한 고정체와 지대주와의 결합은 제조사에서 권장하고 있는 30 N·cm의 토크를 디지털 토크렌치를 사용하여 결합하였다.

대상 데이터

전압은 생체유사액과 임플란트 내의 저항변화에 따라 자동적으로 변화하여야 한다. 따라서 실험 시 저항 변화에 따른 일정한 양의 미소전류를 자동적으로 공급할 수 있는 미소전원 공급장치를 제작하여 사용하였다. 시험편은 상, 하단에서 절연되어 있다.
본 연구에 사용된 임플란트 시험편은 국내 치과에서 많이 사용하는 모델이다. 티타늄 재질의 고정체(Fixture)는 내측연결 방식(Internal type)으로 Φ4, 길이 11.
사용된 시험기는 ISO 14801에서 제시하는 시험의 제반조건에 부합하도록 제작된 리니어모터 방식의 피로시험기(최대 피로하중 1,000 N)이다. 하중비는 R=0.
임플란트가 체내에서 접하게 되는 물질을 체액 및 타액이라 가정하여, 인공체액으로 0.9 % NaCl의 생리식염 주사액(Normal saline)을, 타액으로 시판하는 인공타액(Artificial saliva)을 사용하였다.

이론/모형

건전환경에서의 피로시험은 국제표준규정에 따라 15 Hz의 시험속도를 적용하고, 실험실 환경(20±5 ℃)에서 수행하였다.
건전환경에서의 피로시험은 국제표준규정에 따라 15 Hz의 시험속도를 적용하고, 실험실 환경(20±5 ℃)에서 수행하였다. 생체유사환경에서의 피로시험은 국제표준규정의 액상시험조건인 2 Hz로 실시하였다.
시험 시, 가해지는 하중을 받게 되는 반구형태의 의치 대체물(Hemispherical loading member)은 치과용 임플란트 피로시험의 국제표준규정인 ISO 14801 에 맞도록 제작되었으며,⁽⁷⁾에폭시 수지를 이용하여 시험편에 고정하였다.

성능/효과

(1) 인공타액 하에서의 피로수명이 링거환경보다 대체적으로 감소하였다. 그러나 5×10⁶ 사이클에서의 시간강도는 두 경우에서 거의 차이가 없다.
(2) 시편에 대한 부식작용은 인공타액이 링거액보다 훨씬 크다. 이러한 부식의 정도 차이가 두 경우의 피로수명의 차이로 나타난 것으로 판단된다.
(3) 링거액 환경 하에서는 지대주나사가 먼저 피로파괴되는 ModeⅠ이 압도적인데 비하여, 인공 타액환경 하에서는 고정체가 먼저 피로파괴 되는 ModeⅢ의 비율이 60%정도이다. 이 사실은, 타액의 강한 부식작용이 외부에 노출된 고정체에서 활발히 일어나고, 그로 인해 발생한 부식피로균열이 우선적으로 전파하여 임플란트를 파단 시킨데 기인한 것으로 생각된다.
(4) 질화처리 된 지대주 나사의 질화경화층을 제거하고, 질소확산층을 최표면으로 하는 지대주 나사를 사용한 임플란트의 피로수명은 WC를 코팅한 기존 제품에 비해 대폭 향상되었다.
WC를 코팅한 지대주 나사 대신에 본 제안의 나사를 채택한 임플란트의 경우, 최대 8배의 피로수명 향상효과가 확인됨과 동시에, 또한 표면경도도 높아서 고정체와의 체결력과 내마모성도 상당 부분 확보될 것이다.
(a)는 인공타액, (b)는 링거액 환경에서 피로시험을 마친 시편이다. 두 경우를 비교하면, 시편에 대한 부식작용이 링거액보다 인공타액이 훨씬 강하다는 사실을 확인할 수 있다.
치과용 임플란트에서는 통상이 하중을 피로한도 하중으로 간주한다. 두 시험 의 비교로부터, 건전환경보다 링거액 생체유사환경에서의 피로한도가 50 N, 약 19 % 가량 감소함을 확인한 바 있다.
이러한 결과는 전해연마를 시작하여 질화경화층이 제거됨에 따라 피로수명이 향상되며, 질화경화층이 완전히 제거된 8분 정도에서 질소확산층에 의해 피로강도가 최대를 보이다가, 질소확산층이 제거되기 시작하면서 다시 피로수명이 감소하는 것으로 판단된다.
이상의 결과를 종합하면, 타액의 강한 부식작용은 외부에 노출된 고정체에서 활발히 일어나고, 그로 인해 발생한 부식피로균열이 우선적으로 전파하여 임플란트를 파괴시켰다고 볼 수 있다. 따라서 ModeⅢ의 파괴모드가 타액에서 높은 비율(60%)로 나타난 것으로 판단된다.
질화경화층을 제거한 본 제안의 경우, 질소확산층과 모재사이에는 탄성계수가 연속적으로 변화하는 조직의 완충부가 있어서 경계면의 응력집중이 크게 완화된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치과용 임플란트에 있어서 내구성이 중요한 이유는?	치과용 임플란트의 제작에 있어서 임플란트의 내구성의 제고는 환자에 대한 고통의 경감과 치과의사의 시술 안정성을 위해 중요하다.
	부동태피막의 특징은 무엇인가?	치과용 임플란트에 주로 쓰이는 티타늄 및 그 합금의 부동태피막(Passive film)은 대단히 치밀하여, 생체유사환경 속에서의 수년간에 걸친 침적 시험에서도 거의 부식되지 않는다. 그럼에도 불구하고 최근 임플란트 시술을 한 사람이나 동물에서 부식 손상의 현상이 보고되고 있다.
	기존 임플란트의 피로강도에 대한 연구의 한계점은 무엇인가?	임플란트의 피로강도에 관하여 기존에 진행된 연구들은 대부분 실험실 내의 건전환경 하에서 수행되었다. (2,3) 즉 구강내의 체액, 세포막 전위(Cell membrane potential) 수준의 미소전류, 저작력 등과 같은 다양한 인자들의 복합적인 작용을 고려하지 않은 연구들이다. 이러한 연구들은 임플란트가 매식된 구강 내에서의 생체역학적인 다양한 특성들을 반영한 연구라고 할 수 없다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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Kim, M. G., 1999, "A Study of the Ruling Factor of Fatigue Limit of Nitrided Titanium Using Fluidized Bed Furnace," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, No. 23, pp. 31-36.
Adell, R., Erikkson, B., Lekholm, U., Branemark, P. I. and Jemt, T.,1990, J. Oral Maxillofac Implants Int. 5, pp.347-359.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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