[논문]내측 연결 및 외측 연결 방식으로 설계된 임플란트의 3차원적 유한요소 응력 분석

정현주; 양성표; 박재호; 박찬; 신진호; 양홍서

doi:10.14368/jdras.2017.33.3.189

내측 연결 및 외측 연결 방식으로 설계된 임플란트의 3차원적 유한요소 응력 분석
Stress distribution of implants with external and internal connection design: a 3-D finite element analysis 원문보기

Journal of dental rehabilitation and applied science = 구강회복응용과학지, v.33 no.3, 2017년, pp.189 - 198

정현주 (전남대학교 치과대학 치주과) , 양성표 (카이스트 생체 및 뇌공학과) , 박재호 (전남대학교 치과대학 보철과) , 박찬 (전남대학교 치과대학 보철과) , 신진호 (전남대학교 치과대학 보철과) , 양홍서 (전남대학교 치과대학 보철과)

초록
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목적: 외측 육각형과 내측 원추형 연결부로 설계된 임플란트 지지 하악 구치 수복물에 교합력을 가할때 발생하는 생역학 현상을 분석하고자 한다. 연구 재료 및 방법: 외측 연결형 임플란트(EXHEX)와 내측 연결형 임플란트(INCON) 그리고 이와 결합할 해당 나사와 지대주 및 크라운을 제작하였고, 하악 무치악 치조골을 설계하였다. 각 부분을 조립하여 2종의 유한요소 모형을 제작하였다. 총 120 N 크기의 수직력(L1)과 45도 측방력(L2)을 가하였고, 유한요소 응력 분석을 시행하였다. 결과: L2 측방력 하중에 의해 발생한 최대 응력은 L1 수직력 하중에 의한 것 보다 6 - 15배 더 컸다. INCON 모델은 EXHEX 모델보다 크라운 교두부에서 2.2배 더 큰 변위량을 보여 주었다. 측방력에 의해 EXHEX 모델은 나사에서, INCON 모델은 임플란트 고정체의 상단 변연부에서 폰미세스 응력의 최대값이 관찰 되었다. INCON 모델에서는 임플란트 내부 계면에서 긴밀한 접촉이 유지 되었다. 결론: 측방력이 큰 변형과 응력을 발생하였으나, 임플란트에서의 최대 응력 발생부위는 INCON과 EXHEX 모델이 서로 상이하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: This study aims to analyze the stress distribution of mandibular molar restoration supported by the implants with external hex and internal taper abutment connection design. Materials and Methods: Models of external connection (EXHEX) and internal connection (INCON) implants, corresponding abutment/crowns, and screws were developed. Supporting edentulous mandibular bony structures were designed. All the components were assembled and a finite element analysis was performed to predict the magnitude and pattern of stresses generated by occlusal loading. A total of 120 N static force was applied both by axial (L1) and oblique (L2) direction. Results: Peak von Mises stresses produced in the implants by L2 load produced 6 - 15 times greater than those by L1 load. The INCON model showed 2.2 times greater total amount of crown cusp deflection than the EXHEX model. Fastening screw in EXHEX model and upside margin of implant fixture in INCON model generated the peak von Mises stresses by oblique occlusal force. EXHEX model and INCON model showed the similar opening gap between abutment and fixture, but intimate sealing inside the contact interface was maintained in INCON model. Conclusion: Oblique force produced grater magnitudes of deflection and stress than those by axial force. The maximum stress area at the implant was different between the INCON and EXHEX models.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

연구의 목적은 외측 연결형과 내측 연결형 임플란트에 의해 지지되는 대구치에서 수직력과 경사력이 가해질 때 임플란트 내부에 발생하는 응력과 변위를 비교 분석하는데 있다.
정적 유한요소 해석이 교합 하중에 의해 생성된 응력집중을 예측하기 위해 수행되었다. 치조골, 임플란트 및 수복물에서 최대 폰미세스(von Mises) 응력 값을 평가하였고, 계산에서 얻은 데이터는 모델의 다양한 각 구성 요소에서의 응력 수준을 직접 비교할 수 있도록 색상 스케일이 있는 응력 분포 도면으로 표현하였다.

제안 방법

외측 육각형과(EXHEX) 내측 원추형(INCON) 접합부 연결을 갖는 임플란트에 의해 지지되는 하악 구치부크라운에 수직하중(L1)과 경사하중(L2)을 가한 후 임플란트-지대주 연결부 설계에 의한 영향을 규명하기 위해 유한 요소 응력 분석을 수행 하였다.

대상 데이터

가상 3D 모델은 캐드(CAD; Computer-Aided Design)를 사용하여 기하학적으로 제작하였다. EXHEX 캐드 모델은 외측 육각형 연결 (USIII CA 임플란트 Ø4.5 mm × 13 mm, # AUS3R4513S, cement ID 지대주 Ø4.5 / 5.0 mm, # BCAR525N, Osstem, Seoul, Korea)의 임플란트-지대주 복합체의 모든 특성을 재현했으며, 상부에 대구치의 지르코니아 크라운과 하부에 하악 무치악 치조골을 모델링하였다. 내측 원추형 임플란트-지대주 복합체인 INCON 캐드 모델은 TSIII CA 임플란트(Ø4.
0 mm, # BCAR525N, Osstem, Seoul, Korea)의 임플란트-지대주 복합체의 모든 특성을 재현했으며, 상부에 대구치의 지르코니아 크라운과 하부에 하악 무치악 치조골을 모델링하였다. 내측 원추형 임플란트-지대주 복합체인 INCON 캐드 모델은 TSIII CA 임플란트(Ø4.5mm × 13 mm, # TS3S4513C, Osstem)와 Transfer ID 지대주 (Ø4.5 / 5.0 mm, # BGSTA562N, Osstem)를 측정하여 제작하였으나 임플란트의 치경부 모양과 임플란트 고정체의 직경과 길이는 EXHEX모델과 동일하게 변경하여 임플란트 부품을 모델링하였다. 각 지대주는 임플란트 고정체와 외측 연결과 내측 연결 유형을 제외하고는 동일한 높이와 크기로 제작하였으며, 임플란트와 지대주는 나사로 연결하였다.

데이터처리

정적 유한요소 해석이 교합 하중에 의해 생성된 응력집중을 예측하기 위해 수행되었다. 치조골, 임플란트 및 수복물에서 최대 폰미세스(von Mises) 응력 값을 평가하였고, 계산에서 얻은 데이터는 모델의 다양한 각 구성 요소에서의 응력 수준을 직접 비교할 수 있도록 색상 스케일이 있는 응력 분포 도면으로 표현하였다. 변위량을 명확하게 구별하기 위해 그림에서의 변위가 10배 증가되어표시되도록 축척 계수를 ×10으로 설정하여 그래픽으로 표시했다.

이론/모형

가상 3D 모델은 캐드(CAD; Computer-Aided Design)를 사용하여 기하학적으로 제작하였다. EXHEX 캐드 모델은 외측 육각형 연결 (USIII CA 임플란트 Ø4.
크라운 내면은 해당 지대주와 적합되게 설계하였고 지지골에 임플란트 삽입 구명을 형성하였다. 이를 위해 불 연산 빼기(Boolean subtraction) 방식으로 캐드 모델을 제작하였다. 무치악 하악골은 1.

성능/효과

1. L2 하중에 의한 임플란트에 생성된 최대 폰미세스 응력은 L1 하중보다 6 - 15배 컸다.
2. INCON 모델은 EXHEX 모델보다 크라운 교두에서 변위량이 2.2배 더 컸다.
3. EXHEX 모델은 조임 나사에서, INCON 모델은 임플란트 고정체의 상단 경계부에서 경사하중(L2)에 의한 최대 폰미제스 응력이 발생했다.
4. L2 하중에서 EXHEX 모델과 INCON 모델은 지대주와 임플란트 사이의 유사한 크기의 외측 변연간극을 보이지만 접촉 계면 내부의 긴밀한 밀봉은 INCON 모델에서만 관찰되었다.
5. INCON 모델에서 EXHEX 모델보다 L2 하중에 의한 임플란트 구성 요소의 경계면 주위의 높은 변형률 발생부위가 더 컸지만 두 모델에서 최대 변형률의 크기는 비슷했다.
임플란트 내부에서의 최대 응력의 크기는 INCON과 EXHEX 모델이 많은 차이를 보이고 있지는 않았지만, 최대 응력 발현 부위는 서로 상이했다. EXHEX 모델은 임플란트 나사에서, INCON 모델은 임플란트 고정체의 상단 경계부에서 경사하중(L2)에 의한 최대의 폰미제스 응력이 발생했다(Fig. 5, 6).
경사하중에 의한 임플란트 구성 요소의 연결부 주위의 높은 변형량 분포는 INCON 모델에서 EXHEX 모델보다 넓었지만, 최대 변형률의 크기는 두 모델에서 유사하였다. EXHEX 모델의 나사선 상단부와 INCON 모델의 임플란트 고정체 상단에서 최대 변형이 관찰되었으며, 이는 최대 응력이 발생한 동일한 부위였다(Fig. 7, 8).
본 실험을 통해 검토된 독립 변수 (1) 임플란트-지대 주 연결의 유형과 (2) 교합 하중의 방향 중에서 측방력이 다른 변수보다 훨씬 더 큰 영향을 줌을 밝혔다. 본 시험의 모든 조건과 모든 부품 내에 발생하는 최대 응력 값은 EXHEX 모델의 조임 나사에서 관찰 되었으나, 임플란트 부품 내에서의 최대 응력 발생부위는 INCON과 EXHEX 모델이 서로 상이하였음을 알아낼 수 있었다. 우리의 연구는 임플란트-지대주 간의 연결 방식과 교합력의 방향이 임플란트 시스템의 생역학적 거동에 어떤 영향을 미치는지에 대해 임상 치과의사에 유용한 정보를 제공하였지만, 추후 비선형 유한 요소 분석과 더 정교한 캐드 모델링 작업을 추가하여 수행함으로써 더 정확한 정보를 제공한다면 임플란트 보철 수복을 위한 설계를 최적화시키는데 큰 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
Möllersten 등14은 다양한 임플란트 시스템을 연구하여 구부러지거나 파절된 나사 또는 연결부의 다양한 실패 모드가 발생했지만, 연결부가 내측으로 깊게 위치할 때 임플란트와 지대주의 연결이 더 우수하였다고 보고했다. 본 실험에서도 경사하중에 의해 외측 육각형 연결부 모델(EXHEX)의 임플란트 나사에서 발생하는 응력이 본 시험의 모든 조건에서 모든 부품 내에 발생한 가장 높은 응력 값이 발생하였고, 내측 원추형(INCON) 연결부 모델에서는 임플란트 내부에 더 낮은 최대 응력 값이 관찰되었다. 임플란트 내부에서의 최대 응력의 크기는 INCON과 EXHEX 모델이 많은 차이를 보이고 있지는 않았지만, 최대 응력 발현 부위는 서로 상이했다.
본 실험을 통해 검토된 독립 변수 (1) 임플란트-지대 주 연결의 유형과 (2) 교합 하중의 방향 중에서 측방력이 다른 변수보다 훨씬 더 큰 영향을 줌을 밝혔다. 본 시험의 모든 조건과 모든 부품 내에 발생하는 최대 응력 값은 EXHEX 모델의 조임 나사에서 관찰 되었으나, 임플란트 부품 내에서의 최대 응력 발생부위는 INCON과 EXHEX 모델이 서로 상이하였음을 알아낼 수 있었다.
6 μm이었다. 임플란트 고정체와 지대주 사이의 외측 변연간극(opening gap)의 거리는 EXHEX와 INCON 모델에서 각각 10.9 μm와 10.5 μm으로 비슷한 간극의 크기를 보여 주었지만, INCON 모델에서는 내부 접촉면 계면에서 긴밀한 밀봉이 유지되었다. 경사하중에 의한 임플란트 구성 요소의 연결부 주위의 높은 변형량 분포는 INCON 모델에서 EXHEX 모델보다 넓었지만, 최대 변형률의 크기는 두 모델에서 유사하였다.

후속연구

본 시험의 모든 조건과 모든 부품 내에 발생하는 최대 응력 값은 EXHEX 모델의 조임 나사에서 관찰 되었으나, 임플란트 부품 내에서의 최대 응력 발생부위는 INCON과 EXHEX 모델이 서로 상이하였음을 알아낼 수 있었다. 우리의 연구는 임플란트-지대주 간의 연결 방식과 교합력의 방향이 임플란트 시스템의 생역학적 거동에 어떤 영향을 미치는지에 대해 임상 치과의사에 유용한 정보를 제공하였지만, 추후 비선형 유한 요소 분석과 더 정교한 캐드 모델링 작업을 추가하여 수행함으로써 더 정확한 정보를 제공한다면 임플란트 보철 수복을 위한 설계를 최적화시키는데 큰 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임플란트의 파절의 발생 빈도는?	1 단일 임플란트로 지지되는 구치부 보철물은 임플란트에 큰 응력을 발생시키고 임플란트 파절 가능성을 높인다. 임플란트의 파절은 1,000개 중에서 2회의 발생 빈도로 발생하는 것으로 보고되고 있다.2 임플란트 제조회사에서는 임플란트-지대주 연결부를 다양한 설계로 생산하지만, 임플란트의 연결부와 관련된 파절 등 합병증에 대한 믿을만한 자료를 제공하지 않는 실정이다.
	임플란트 시스템에서 임플란트의 강도와 안정성을 결정하는 요소는?	모든 임플란트 시스템에서 임플란트-지대주 연결부의 기계 공학적 완벽성은 임플란트의 강도와 안정성을 결정하는 중요한 요소이다.4-6 임플란트 연결부의 설계는 평평한 접촉 연결부(butt joint)와 마찰 결합 연결부(friction fit joint)의 두 가지로 대별된다.
	마찰 결합 연결부가 의미하는 것은?	7 첫번째 유형은 외측 육각형 연결부로 평면들이 서로 피동적으로 접촉하고 임플란트와 지대주 사이에 작은 공간이 존재한다. 두번째 유형은 내측 원추형 연결부를 갖고 마찰 결합 계면을 갖고 있다. 이 두 가지 유형은 외측 연결형과 내측 연결형으로 크게 분류된다.

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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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