[논문]반치환 무릎 인공관절에서의 재료조합에 따른 접촉압력 분석

노태헌; 전흥재

doi:10.7734/coseik.2018.31.1.23

반치환 무릎 인공관절에서의 재료조합에 따른 접촉압력 분석
Analysis of Contact Pressure for Material Combination in Unicompartmental Knee Implant 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.31 no.1, 2018년, pp.23 - 29

초록
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무릎 임플란트에서 접촉압력이 마모에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 본 연구기관에서 개발한 무릎 임플란트 모델을 이용하여 유한요소해석을 하였다. 연구와 산업에서 실제로 사용하는 조합을 이용하여 총 10가지의 무릎 임플란트의 재료조합에 대한 접촉압력을 분석하였다. 무릎이 30도, 45도 60도 기울어져있을 때의 하중을 가하여 접촉압력을 구하였다. 접촉압력을 계산한 결과 티타늄합금-UHMWPE 조합에서 가장 작은 접촉압력이 나왔다. UHMWPE의 경우 대퇴골부에 어떠한 재료를 사용하여도 접촉압력이 크게 변하지 않았다. 접촉압력이 가장 큰 조합과 작은 조합을 비교하였을 때 0.77% 차이를 보였다. 반면에 Carbon/PEEK 복합재료의 경우 접촉압력이 가장 큰 경우와 작은 경우를 비교하였을 때 5.3% 차이를 보였다. 이를 통해 Carbon/PEEK 복합재료를 베어링부로 사용할 경우 대퇴골부의 재료가 마모에 영향을 미침을 알 수 있다. 본 연구는 무릎 임플란트 마모예측과 마모를 최소화 연구에 도움이 될 것이라 생각한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In knee implants, contact pressure has a significant effect on wear. In this study, finite element analysis is performed using the knee implant model developed in the previous research. The contact pressures for a total of 10 knee implant materials combinations were analyzed using the combinations actually used in research and industry. In order to calculate the contact pressure, The load was applied when the flection angle of knee was $30^{\circ}$, $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$. The result of contact pressure revealed the smallest contact pressure in the titanium alloy-UHMWPE combination. In the case of UHMWPE, contact pressure did not change much with any material used in the femur. Compared the combination with the largest contact pressure and the smallest contact pressure, the difference was 0.77%. On the other hand, Carbon / PEEK composites showed 5.3% difference when the contact pressure was the largest and the smallest. It can be seen that when the Carbon / PEEK composite material is used as the bearing part, the material of the femoral part affects the wear. This study will contribute to the prediction of knee implant wear and minimization of wear.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 본 연구기관에서 개발한 UKR 모델을 이용 하여 실제 현장과 기존 연구에서 많이 사용되는 재료 조합에 대한 접촉압력을 구하였다. 본 연구를 통해서 베어링부를 UHMWPE, Carbon/PEEK Composite 그리고 세라믹 재료로 재료를 바꾸었을 때 베어링부의 표면에 접촉압력이 얼마나 감소되었는지를 확인하였다. 여기서, 베어링부가 UHMWPE 인 경우에는 대퇴골부에 재료를 바꿔도 접촉압력이 큰 차이를 보이지 않았다.
본 연구에서는 본 연구기관에서 개발한 UKR 모델을 이용 하여 실제 현장과 기존 연구에서 많이 사용되는 재료 조합에 대한 접촉압력을 구하였다. 본 연구를 통해서 베어링부를 UHMWPE, Carbon/PEEK Composite 그리고 세라믹 재료로 재료를 바꾸었을 때 베어링부의 표면에 접촉압력이 얼마나 감소되었는지를 확인하였다.

가설 설정

Medial condyle에 수직하중은 무릎 관절의 해부학적 형태와 관련이 있기 때문에 무릎에 가해지는 하중의 60%로 가정하였다 (Morra et al., 2003). 또한, 대퇴골부-베어링 모델에서 3가지 경우에서의 하중 조건을 인가하였다.

제안 방법

FE 모델을 구축하기 위해서 DePuy Sigma High Performance Unicompartmental Knee Replacement(Johnson & Johnson medical, New Jersey, USA)을 기반으로 초기 형상을 만들었다.
또한, 질량 중심에 대퇴골부의 모든 안쪽 면을 Kinnematic coupling으로 구속하였다. Static FE analysis는 각각의 3가지 하중조건에 따라 수행하였다.
대퇴골부와 베어링부 접촉면에 접촉압력을 계산하기 위해서 경계조건과 하중조건을 UKR 모델에 부여하였다. 경계조건은 무릎 시뮬레이터와 같이 베어링 부분에서 바닥면의 자유도를 모두 구속하였다.
, 2003). 또한, 대퇴골부-베어링 모델에서 3가지 경우에서의 하중 조건을 인가하였다. 무릎이 15° 굽어져 있는 경우에서는 1320N, 무릎이 45° 굽어져 있는 경우에는 1920N 그리고 60°인 경우에는 1680N으로 총 3경우의 하중을 인가하였다(Heever et al.
본 연구에서는 UKA를 중점으로 연구를 진행하였으며, 본 연구기관에서 개발한 UKA 모델을 이용하였다. 또한, 실제 산업과 연구에서 많이 사용되는 UKA의 대퇴골부와 베어링부의 재료 조합을 유한요소해석을 이용하여 재료조합에 따른 접촉 압력을 분석하였다.
수직 집중하중은 대퇴골부의 질량중심에 인가하였다. 또한, 질량 중심에 대퇴골부의 모든 안쪽 면을 Kinnematic coupling으로 구속하였다. Static FE analysis는 각각의 3가지 하중조건에 따라 수행하였다.
본 연구에서는 기존 연구와 실제로 사용하는 관절 임플란트의 재료조합을 본 연구기관에서 개발한 임플란트 모델에 적용 하여 접촉압력을 유한요소해석법을 통해 구하였다. 접촉압력 분포는 대표적인 3개의 모델을 선정하여 Fig.

대상 데이터

5와 같이 나왔다. Fig. 5에서 대퇴골부에는 실제 현장에서 가장 많이 사용되는 CoCrMo를 사용하였고 베어링부에는 CoCrMo, Carbon/ PEEK Composite 그리고 UHMWPE를 사용하였다. 또한 대퇴골부의 재료를 바꾸어도 접촉압력의 분포는 크게 변하지 않기 때문에 접촉압력 분포를 나타내는 대표적인 모델로 Fig.
FE 모델을 구축하기 위해서 DePuy Sigma High Performance Unicompartmental Knee Replacement(Johnson & Johnson medical, New Jersey, USA)을 기반으로 초기 형상을 만들었다. UKR FE 모델은 UG NX9(Siemens PLM software, Torrance, CA, USA)와 Solidworks (Dassult systems, Velizy Villacoublay, France)를 사용 하여 만들었다. UKR 모델은 대퇴골부와 베어링 부분으로 구성 되어 있다.
대퇴골부와 베어링부에 사용된 재료와 재료 조합은 대퇴골부-베어링부 순서로 Alumina-Alumina, Alumina-UHMWPE, Alumina-Carbon/PEEK Composite, Zirconia-UHMWPE, Zirconia-Carbon/PEEK Composite, CoCrMo-CoCrMo, CoCrMo-UHMWPE, CoCrMo-Carbon/PEEK Composite, Ti6Al4V-UHMWPE 그리고 Ti6Al4V-Carbon/PEEK Composite을 사용하였다. 메쉬 수렴도를 확인한 결과 해석에 적절한 메쉬 사이즈인 1.
대퇴골부 부분은 12,882개의 요소와 19,937개의 노드로 되어있다. 베어링 부분은 21,841개의 요소와 32,065개의 노드로 구성하였다.
본 연구에서 사용한 대퇴골부와 베어링부의 재료 조합은 기존의 연구와 실제 사용하는 조합을 대상으로 하였다(Long, 1998). 재료의 조합은 Table 1과 같다.
FE 모델은 tetrahedron mesh로 구성하였다. 사면체 요소는 2차 요소인 C3D10을 사용하였다. 대퇴골부 부분은 12,882개의 요소와 19,937개의 노드로 되어있다.

이론/모형

FE mesh와 해석은 ABAQUS 6.14(Dassault Systems, Velizy-Villacoublay, France)를 이용하였다. FE 모델은 tetrahedron mesh로 구성하였다.
대퇴골부와 베어링부 접촉면에 접촉압력을 계산하기 위해서 경계조건과 하중조건을 UKR 모델에 부여하였다. 경계조건은 무릎 시뮬레이터와 같이 베어링 부분에서 바닥면의 자유도를 모두 구속하였다.
본 연구는 반치환 무릎 임플란트 모델에서의 재료조합에 따른 접촉압력을 정적하중 하에서 유한요소 해석법을 이용하여 구하였다. 이를 이용한다면 무릎 임플란트 뿐만 아닌 다양한 관절 임플란트의 접촉압력을 통해 마모를 예측 또는 최소화하는 연구에 도움이 될 것이라 생각한다.
본 연구에 사용한 모델은 UHMWPE를 사용하는 무릎 임플란트 모델을 기반으로 구성한 것이다. 그러나 Fig.
본 연구에서는 UKA를 중점으로 연구를 진행하였으며, 본 연구기관에서 개발한 UKA 모델을 이용하였다. 또한, 실제 산업과 연구에서 많이 사용되는 UKA의 대퇴골부와 베어링부의 재료 조합을 유한요소해석을 이용하여 재료조합에 따른 접촉 압력을 분석하였다.

성능/효과

베어링부를 Carbon-PEEK Composite을 사용하고 대퇴 골부의 재질을 베어링부가 UHMWPE인 경우와 똑같이 하여 접촉압력을 비교한 결과 최댓값과 최솟값이 27.2MPa 차이가 났으며 5.3 % 감소한 값이다.
즉, UHMWPE를 사용하였을 때보다 Carbon/PEEK Composite을 사용했을 때 베어링부는 마모가 덜 하지만 대퇴골부에 더 많은 마모가 발생될 것으로 예상된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 UHMWPE와 달리 Carbon/ PEEK Composite은 대퇴골부의 재료선택을 통해 접촉압력을 줄일 수 있음을 본 연구를 통해 알 수 있다.

후속연구

본 연구는 반치환 무릎 임플란트 모델에서의 재료조합에 따른 접촉압력을 정적하중 하에서 유한요소 해석법을 이용하여 구하였다. 이를 이용한다면 무릎 임플란트 뿐만 아닌 다양한 관절 임플란트의 접촉압력을 통해 마모를 예측 또는 최소화하는 연구에 도움이 될 것이라 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무릎 임플란트에서 사용되는 고분자 재료는 무엇을 고려해야 하는가?	각각의 재료들은 서로 다른 기계적 물성과 화학적 특징을 지니고 있다. 이러한 재료들은 생체에 적합하고 오래 사용하기 위한 다양한 특징을 지녀야 한다. 마모에 대한 저항이 높고 생체적 합성이 좋아야 하며 부식에 대한 저항 역시 높아야 한다. 이 밖에도 무릎 임플란트의 성능을 높이고 오래 사용하기 위해 필요한 성질들이 있다. 또한 인체에 해로운 영향을 주는 금속을 최소화하기 위해서 니켈을 제거한 합금 또는 니켈을 대신하여 질소를 넣어서 성질을 유지한 합금을 사용하기도 한다.
	무릎 관절은 무엇인가?	무릎관절은 인간의 몸에서 가장 중요한 관절 중 하나이다. 무릎 관절은 세 개의 뼈(대퇴골, 경골 그리고 슬개골)로 이루 어진 “hinge-type”인 관절이다. 이 관절은 구부림, 신전뿐만 아니라 약간의 회전도 가능하다(Shi, 2007).
	무릎 관절 수술 중 가장 흔한 수술방법은 무엇인가?	무릎 관절수술은 본래 고통을 줄여주고 더 나은 삶을 위한 수술 방법 이다. 가장 흔한 수술방법은 슬관절 부분치환술(unicompartmental knee arthroplasty, UKA)과 슬관절 전치환술(total knee arthroplasty, TKA)이다(Sugita et al., 2000). 최근 에는 UKA가 더 선호되고 있다.

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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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