[국내논문]4종 임플란트 나사산 디자인의 응력분산 특성에 대한 3차원 유한요소해석 연구 Stress dissipation characteristics of four implant thread designs evaluated by 3D finite element modeling원문보기
목적: 4종의 임플란트 나사산이 골유착 중간과정과 완료 이후 단계에서 보이는 응력분산 특성을 평가하고자 한다. 재료 및 방법: 실린더형 몸체(외경 4.1 mm 길이 10 mm)에 이전연구에서 식립 특성이 우수하게 평가되었던 V-자형 나사산과 다른 3종(buttress형, reverse buttress형, square형)의 나사산을 가진 4종의 임플란트가 악골에 매식된 복합체 모델을 CAD 프로그램으로 제작하였다. 지대주 상부에 100 N의 힘을 임플란트 장축과 30도 방향으로 부하하고 인접골 응력분포를 유한요소 해석하였다. 응력분산 특성이 골유착 진척 상태에 따라 달라질 수 있다는 가정하에 임플란트/골 계면을 골유착 미숙단계와 골유착 완료단계의 두 가지로 구분하여 분석하였다. 골유착 미숙단계는 임플란트/골 계면을 비선형 contact 조건(마찰계수 0.3)으로 모사하였고, 골유착이 완료된 단계에 대해서는 계면이 충분히 결합된 것으로 간주하여 접합(bonding) 조건을 부여하였다. 결과: 골유착 정도에 따라 임플란트의 응력분산 특성이 달라졌다. 골유착 미숙단계에서는 골응력과 나사산에 따른 응력 특성의 차이도 상대적으로 컸고 골유착 완료단계에서는 골응력의 절대값과 나사산간 차이가 모두 감소하였으며, V-자형 나사산의 응력분산 특성은 골유착 미숙 및 완료단계에서 모두 4종 나사산의 중간 정도였다. 이로부터 나사산 디자인의 차이는 임플란트 식립후 골유착이 진행되는 과정까지 영향을 미치며, 일단 골유착이 완료되면 나사산의 영향은 급격히 감소할 것임을 추론할 수 있었다. 결론: V-자형 나사산의 응력분산 특성은 골유착이 이루어지는 단계와 완료된 이후 단계 전기간 동안 4종 나사산의 중간 정도였다.
목적: 4종의 임플란트 나사산이 골유착 중간과정과 완료 이후 단계에서 보이는 응력분산 특성을 평가하고자 한다. 재료 및 방법: 실린더형 몸체(외경 4.1 mm 길이 10 mm)에 이전연구에서 식립 특성이 우수하게 평가되었던 V-자형 나사산과 다른 3종(buttress형, reverse buttress형, square형)의 나사산을 가진 4종의 임플란트가 악골에 매식된 복합체 모델을 CAD 프로그램으로 제작하였다. 지대주 상부에 100 N의 힘을 임플란트 장축과 30도 방향으로 부하하고 인접골 응력분포를 유한요소 해석하였다. 응력분산 특성이 골유착 진척 상태에 따라 달라질 수 있다는 가정하에 임플란트/골 계면을 골유착 미숙단계와 골유착 완료단계의 두 가지로 구분하여 분석하였다. 골유착 미숙단계는 임플란트/골 계면을 비선형 contact 조건(마찰계수 0.3)으로 모사하였고, 골유착이 완료된 단계에 대해서는 계면이 충분히 결합된 것으로 간주하여 접합(bonding) 조건을 부여하였다. 결과: 골유착 정도에 따라 임플란트의 응력분산 특성이 달라졌다. 골유착 미숙단계에서는 골응력과 나사산에 따른 응력 특성의 차이도 상대적으로 컸고 골유착 완료단계에서는 골응력의 절대값과 나사산간 차이가 모두 감소하였으며, V-자형 나사산의 응력분산 특성은 골유착 미숙 및 완료단계에서 모두 4종 나사산의 중간 정도였다. 이로부터 나사산 디자인의 차이는 임플란트 식립후 골유착이 진행되는 과정까지 영향을 미치며, 일단 골유착이 완료되면 나사산의 영향은 급격히 감소할 것임을 추론할 수 있었다. 결론: V-자형 나사산의 응력분산 특성은 골유착이 이루어지는 단계와 완료된 이후 단계 전기간 동안 4종 나사산의 중간 정도였다.
Purpose: The aim was to investigate the effect of implant thread designs on the stress dissipation of the implant. Materials and methods: The threads evaluated in this study included the V-shaped, buttress, reverse buttress, and square-shaped threads, which were of the same size (depth). Building fo...
Purpose: The aim was to investigate the effect of implant thread designs on the stress dissipation of the implant. Materials and methods: The threads evaluated in this study included the V-shaped, buttress, reverse buttress, and square-shaped threads, which were of the same size (depth). Building four different implant/bone complexes each consisting of an implant with one of the 4 different threads on its cylindrical body ($4.1mm{\times}10mm$), a force of 100 N was applied onto the top of implant abutment at $30^{\circ}$ with the implant axis. In order to simulate different osseointegration stages at the implant/bone interfaces, a nonlinear contact condition was used to simulate immature osseointegration and a bonding condition for mature osseointegration states. Results: Stress distribution pattern around the implant differed depending on the osseointegration states. Stress levels as well as the differences in the stress between the analysis models (with different threads) were higher in the case of the immature osseointegration state. Both the stress levels and the differences between analysis models became lower at the completely osseointegrated state. Stress dissipation characteristics of the V-shape thread was in the middle of the four threads in both the immature and mature states of osseointegration. These results indicated that implant thread design may have biomechanical impact on the implant bed bone until the osseointegration process has been finished. Conclusion: The stress dissipation characteristics of V-shape thread was in the middle of the four threads in both the immature and mature states of osseointegration.
Purpose: The aim was to investigate the effect of implant thread designs on the stress dissipation of the implant. Materials and methods: The threads evaluated in this study included the V-shaped, buttress, reverse buttress, and square-shaped threads, which were of the same size (depth). Building four different implant/bone complexes each consisting of an implant with one of the 4 different threads on its cylindrical body ($4.1mm{\times}10mm$), a force of 100 N was applied onto the top of implant abutment at $30^{\circ}$ with the implant axis. In order to simulate different osseointegration stages at the implant/bone interfaces, a nonlinear contact condition was used to simulate immature osseointegration and a bonding condition for mature osseointegration states. Results: Stress distribution pattern around the implant differed depending on the osseointegration states. Stress levels as well as the differences in the stress between the analysis models (with different threads) were higher in the case of the immature osseointegration state. Both the stress levels and the differences between analysis models became lower at the completely osseointegrated state. Stress dissipation characteristics of the V-shape thread was in the middle of the four threads in both the immature and mature states of osseointegration. These results indicated that implant thread design may have biomechanical impact on the implant bed bone until the osseointegration process has been finished. Conclusion: The stress dissipation characteristics of V-shape thread was in the middle of the four threads in both the immature and mature states of osseointegration.
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문제 정의
본 연구는 이전 연구에서 식립 특성이 우수하게 평가되었던 V-자형 나사산에 대해 골유착 진행단계 그리고 골유착이 완료된 이후 단계에서 다른 3종의 나사산(buttress형, reverse buttress 및 square형)과의 응력분산 특성을 비교분석하기 위해 수행하였고, 연구의 범위 내에서 다음의 결론을 얻었다.
연구목적은 식립특성이 우수하게 평가되었던 V-자형 나사산이 골유착 단계 그리고 골유착이 완료된 이후를 모두 고려할 때에도 유리할 것인지에 대한 평가를 내리는 데 있다.
임플란트 사이즈(직경과 길이), 지대주, 치은 관통부 형상, 골조건 등 나사산 외에 변연골 응력에 영향을 미치는 것으로 보고된 조건들의 영향을 배제하고, 오직 나사산 형상이 미치는 영향에만 초점을 맞추어 분석하는 것을 목표로 하였다.
가설 설정
본 연구의 초점은 치관이나 지대주 응력이 아닌 골응력이며, 치관의 유무가 임플란트 디자인 차이에 따른 골응력의 비교/분석에 영향을 미칠 소지는 크지 않을 것이다.
악골은 협설 방향 대칭형상으로, 치밀골 두께는 모든 곳에서 1.0 mm로 일정한 것으로 가정하였고, 불필요한 응력집중 발생을 방지하기 위해 spline 곡선을 사용하여 굴곡 없이 매끈한 곡면으로 골의 외형을 모델링하였다.
임플란트와 지대주 그리고 치밀골과 해면골 등 모든 구성체는 선형탄성 및 등방 균질성을 가지는 것으로 가정하였고, 선학자료를 참조,16-18 Table 1에 나타낸 바와 같이 물성치를 부여하였다.
임플란트와 지대주는 모두 cp-titanium 재질로 동일하며, 임플란트와 지대주 그리고 치밀골과 해면골은 서로 충분히 밀착/결합 되어 있다고 가정하였다.
임플란트의 응력분산 특성이 골유착 단계에 따라 달라질 수 있다는 가정 하에, 본 연구에서는 골유착 미숙단계와 골유착 완료단계의 두가지로 나누어 해석하였다.
제안 방법
나사산 디자인에 따른 임플란트 응력분산 특성의 정량적 비교를 위해, Fig. 3A에 보인 바와 같이 응력이 최대로 집중되는 협측 치밀골 표면상에 임플란트로부터 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 mm 떨어진 5개의 절점을 응력 관찰점으로 설정, 여기서의 응력을 그래프로 비교한 결과를 Fig. 5와 Fig. 6에 각각 나타내었다. Fig.
모든 구성체에서 요소망 밀도(mesh density)를 가급적 균일하도록 관리하여 불필요한 오류소지를 최소화하였고, 임플란트나 사산과 인접한 골에 대해서는 충분히 조밀한 요소망을 적용하여 나사산과 인접골의 기하학적 형상을 충분히 정밀하게 유지할 수 있도록 하였고 meshing 생성 작업시 이를 육안으로 확인하였다.
본 연구는 그 후속연구로, V-자형 나사산을 포함한 4종 나사산에 대해 임플란트 식립 이후의 단계에서 나사산이 저작압을 인접골로 분산시키는 특성을 조사하였다.
본고에서 연구결과로 제시하지는 않았지만, 예비 해석시 마찰계수를 0.1로부터 0.6까지 0.1 단위로 변화시키며 응력집중이 최대로 일어나는 협측 피질골판의 응력을 비교하였는데, 차이는1 - 2% 이내로 매우 미미하였다.
실린더형 몸체에 서로 다른 형상의 나사산을 가진 4종의 가상 임플란트에 대해서, 100 N의 힘이 임플란트 장축에 대해 협설측으로 30도 경사지게 작용하는 경우를 모델링하여 해석을 수행하였다.
외력조건으로는, 선학연구를 참조하여15 100 N 힘이 지대주 윗면 중심점에 임플란트 중심축과 협설측으로 30도 경사지게 작용하도록 하였다.
이를 위해 Fig. 1에 보인 바와 같이 동일한 실린더 형 몸체(직경 4.1 mm, 코어직경 3.5 mm, 매식부 길이 10 mm)에 buttress 형, 정삼각형(v형), reverse buttress형, 그리고 square형 등 4가지 나사산을 가진 임플란트 CAD (Computer Aided Design)모델 4개를 Inventor 프로그램(Autodesk Inc, San Rafael, CA, USA)을 사용하여 만들었다.
임플란트 협설방향으로 경사지게 작용하는 외력조건 하에서(Fig. 2), 가장 높은 응력이 유도될 것으로 예상되는 협설면, 즉 yz 평면에서의(Fig. 2) 응력분포를 평가하였으며, 관찰의 편의를 위하여 임플란트 응력은 배제하고 골응력만을 나타내었다.
대상 데이터
임플란트/골 복합체는 약 650,000개의 사면체요소(임플란트와 지대주 300,000개+ 치밀골 120,000개+ 해면골 230,000개)를 사용하여 요소망(mesh)을 구성하였다.
이론/모형
요소망 생성과 해석에는 DEFORM 3D (ver 6.1, SFTC, Columbus, OH, USA) 프로그램을 사용하였다.
성능/효과
1. 골유착 진행단계에서 나사산 별 응력분산 특성에 차이가 있었으나 응력차이가 10 MPa 내외로 크지 않았고, V-자형 나사산의 응력분산 특성은 4종 나사산의 중간 정도였다.
2. 골유착 완료 단계에서는 나사산 간 응력분산 특성의 차이가 미미하였다. 이는 성공적으로 골유착을 이룬 이후에는 4종 나사산 간의 생역학적 차이가 현저히 감소될 것임을 시사하였다.
본 연구와 Yu 등14의 결과를 종합하면 임플란트 나사산이 골응력에 미치는 영향은 식립시 가장 크고 이후에는 감소하며 골유착 완료된 단계에 이르러 사실상 소멸된다고 할 수 있다.
이는 임플란트로부터 골로, 특히 협측피질골로 전달되는 힘은 마찰계수 값과 무관하게 대부분 압축력 형태로 전달된다는 것을, 그리고 마찰계수 값만으로는 골유착의 진척 정도나 임플란트/골 사이 힘전달 특성을 적절히 재현할 수 없음을 보여주었다.
후속연구
그러나 불완전한 모델로 얻은 결과이지만 정성적 비교를 하는 데는 참조할 수 있을 것으로 생각된다.
한편 본 연구와 선행연구인 Yu 등14의 연구는 모두 치밀골 응력에 초점을 두어 평가한 것이므로, 골밀도가 낮고 해면골이 우세한 경우에 본 결과를 그대로 적용하기 어렵다. 이 경우, 해면골에 대한 나사산의 골 압밀(bone compaction) 특성과 그에 따른 초기안정성이 더 중요할 수 있으므로 여기에 초점을 둔 연구가 더 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
골유착을 치과 임플란트의 핵심이라 할 수 있는 이유는 무엇인가?
치과 임플란트의 핵심은 골유착(osseointegration)이라 할 수 있을 것이다. 악골에 매식된 임플란트가 안정성을 얻고 저작압을 지탱하기 위해서는 성공적인 골유착이 필수적이기 때문인데, 이를 위해 가장 중요한 요소 중 하나가 초기안정성이다. 초기안정성 결여가 초래하는 골유착 실패 위험은 임플란트 개발 초기부터 지금까지 여러 연구들에서 반복하여 보고되어 왔고,1-3 최근 국내에서 실시된 임플란트 생존연구에서도 초기안정성이 임플란트 사이즈나 표면 특성, 환자 나이, 식립부 골질 등의 요소들 보다 임플란트 성패에 미치는 영향이 더 컸다.
변연골을 위시한 인접골내 응력분산에 유리한 디자인을 찾기 위한 노력으로 개발된 나사산 디자인에는 어떤 것들이 있는가?
나사산의 중요성에 대한 인식하에 그 사이즈, 단면형상(profile), 피치 등의 디자인 요소가 저작압 분산에 미치는 영향에 대한 많은 연구가 이미 이루어 졌다.7-11 연구의 공통된 목적은 변연골을 위시한 인접골내 응력분산에 유리한 디자인을 찾고자 하는 것이었으며, 이 같은 노력의 결과 임플란트 시스템 별로 사각형(square), 삼각형(V-shape), buttress 및 reverse buttress, 그리고 이들을 변형한 다양한 형태의 나사산이 개발되었고 현재 사용되고 있다. 나사산의 형태뿐 아니라 사이즈, 피치(pitch)와 나선각(helical angle) 그리고 비교적 근래 들어 적용되기 시작한 경부미세나사산과 표면처리기술 등의 변수까지 고려한다면 나사산 디자인의 다양성이 더욱 커질 것이다.
많은 나사산 디자인이 임상에 성공적으로 사용되는 와중에 해당 연구에 어떤 미흡한 점이 존재하는가?
많은 나사산 디자인이 임상에 성공적으로 사용되고 있으나, 그 디자인에 대한 지금까지의 연구에는 아직 미흡한 점이 있어 보인다. 임플란트는 식립 후 2 - 4주 동안 안정성이 감소되는 예민한 기간을 거치는데,12,13 대부분의 연구들이 골유착 성패에 중요한 이 기간 중의 나사산 역할보다는 골유착이 이미 완전히 이루어진 단계에서의 분석에 치중해 왔기 때문이다.7-11 골유착의 중요성을 감안할 때, 저작압의 골내 분산이라는 골유착이 완료된 이후의 나사산 역할 뿐 아니라, 임플란트 식립 과정과 그리고 뒤이은 골유착 과정에서의 그 역할에 대한 분석이 함께 중요할 것이다.
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