[논문]치과용 임플란트 지대주 재료에 따른 지지골 응력의 3차원 유한요소 분석

이명곤; 김갑진

doi:10.14347/kadt.2019.40.1.41

치과용 임플란트 지대주 재료에 따른 지지골 응력의 3차원 유한요소 분석
Three dimensional finite element analysis of the stress on supporting bone by the abutment materials of dental implant 원문보기

대한치과기공학회지 = The Journal of Korean Academy of Dental Technology, v.40 no.1, 2018년, pp.41 - 47

이명곤 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 치기공학과) , 김갑진 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 치기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The purpose of this study was to analyze the biomechanical properties of the dental implants on the supporting bone using three-dimensional finite element method when three different abutment materials were applied to the implant system. Methods: Three different dental implant models were fabricated by applying Ti, PEEK, and CRE-PEEK (60% carbon-reinforced PEEK) to abutment material. The abutment and connecting screw from the fixture was applied with a tightening torque of 20 Ncm. And then, total loads of 150 N were applied in an $30^{\circ}oblique$ direction (to the vertical). The structural stability of dental implants on the supporting bone was analyzed using Von Mises stress and principal stress values. Results: The maximum tensile stress of the cortical bone was highest at 12.6 MPa in the PEEK abutment (Model-B). Ti abutment (Model-A) and CRE-PEEK abutment (Model-C) showed similar stress distributions (10.6 and 10.3 MPa, respectively). And the maximum compressive principal stress was similar in all models. The Von Mises stress value delivered to the bone around the implant was highest at 16.5 MPa in Model-B. On the other hand, Model-A and C showed similar stress distributions (14.0 and 13.8 MPa, respectively). In addition, the maximum equivalent stress applied to the abutment was highest at 629.8 MPa in Model-A. The stress distribution in Model-C was 573.9 MPa. Whereas, Model-B showed the lowest value at 165.6 MPa. Conclusion : The dental implant supporting bone system using PEEK material seems to have the possibility of supporting bone fracture. It was found that the CRE-PEEK abutment can reduce the elastic deformation and reduce the stress value of the interfacial bone.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

유용성이 높은 PEEK 소재를 임플란트 시스템의 지대주로 활용했을 때, 기존 Ti 소재를 이용한 지대주보다 가공성 및 경제성이 우수할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 PEEK 소재를 임플란트 시스템의 지대주로 적용했을 때 지지골에 미치는 생체역학적 특성을 분석하여 임플란트 새로운 소재에 대한 자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서 시뮬레이션 된 모델 구조는 균질, 등방성, 선형 탄성을 지녔다고 가정되었다. 분석을 완료할 수 있도록 모델을 단순화하기 위해 적용된 가정은 단일 임플란트 시스템에서 응력 분산을 평가하는 다른 연구에서 설계된 가정과 다르지 않다(Alvarez-Arenal et al, 2013).

제안 방법

본 연구는 3 가지 지대주 소재(Ti, PEEK, and CREPEEK)를 가지는 임플란트 시스템에서 지지골 및 지대주에 가해지는 응력의 크기와 분포를 유한요소법을 사용하여 분석하였다. 관찰된 연구 결과에서 서로 다른 지대주의 탄성 거동에 따라 응력 전달에서 차이가 관찰되었다.

대상 데이터

3차원 점 데이터 추출을 통해 실험 CAD 모델은 리버스 엔지니어링 기술(reverse engineering technique)을 사용하여 제작하였다. 본 연구에서 사용 모델은 국내 D사의 임플란트 시스템의 고정체(4.5 mm × 8.5 mm), 지대주나사(Ø 1.8 mm × 8.5 mm) 및 스캔 데이터를 활용한 맞춤형 지대주이다.
전제적인 형상은 대구치 영역에서 인체 하악골의 횡단면 이미지를 기반으로 하악골 블록 모델을 구성하였다. 높이 29.

이론/모형

3차원 점 데이터 추출을 통해 실험 CAD 모델은 리버스 엔지니어링 기술(reverse engineering technique)을 사용하여 제작하였다. 본 연구에서 사용 모델은 국내 D사의 임플란트 시스템의 고정체(4.
또한 ABAQUS Workbench 6.12에서 3차원 CAD 지오메트리 모델을 가져와 유한요소를 생성하고 수치 시뮬레이션을 수행했다. ABAQUS 요소 라이브러리는 쉽게 사용 할 수 있는 C3D10 유형 요소를 사용하여 모든 요소를 10 node 4 면체 요소(평균 크기: 0.
임플란트 주변 지지골 및 지대주에 가해지는 응력 분포를 Von Mises stress 값을 이용하여 분석하였다. 또한 주응력(principal stress) 값을 이용하여 피질골에 가해지는 압축과 인장응력 분포를 해석하였다.
적용된 하중으로 인하여 발생하는 임플란트 주위의 지지골의 구조적 안정성은 Von Mises stress 와 주응력(principal stress) 값을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

1. PEEK 소재 지대주를 적용한 임플란트 시스템 모델은 지지골 및 지대주에 피로 파절을 발생 시킬 가능성이 있는 것으로 판단된다.
8 MPa)을 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 Model-C(CRE-PEEK)의 응력분산 거동 결과를 바탕으로 60% 탄소 보강된 PEEK 지대주가 탄성 변형을 줄여 지지골 계면의 응력값을 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
유용성이 높은 PEEK 소재를 임플란트 시스템의 지대주로 활용했을 때, 기존 Ti 소재를 이용한 지대주보다 가공성 및 경제성이 우수할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 PEEK 소재를 임플란트 시스템의 지대주로 적용했을 때 지지골에 미치는 생체역학적 특성을 분석하여 임플란트 새로운 소재에 대한 자료를 제공하고자 한다.

후속연구

2. CRE-PEEK 지대주는 Ti 지대주 소재를 적용한 임플란트 모델과 유사한 응력 분산 거동을 나타내어 임플란트 지대주로 활용이 가능할 것으로 사료된다.
또한, 연구에 적용한 하중 조건은 정적 하중으로 구강 내에서 발생할 수 있는 저작 프로세스와는 다른 모의실험이다. 따라서 향후 실험에서는 구강 내의 동적 하중을 적용하여 PEEK 소재의 활용을 검증할 수 있는 연구가 이루어져야 할 것이다.
본 연구의 제한점으로는 초기 가정으로 정한 지지골의 균질성, 등방성은 생체와 차이가 있다. 또한, 연구에 적용한 하중 조건은 정적 하중으로 구강 내에서 발생할 수 있는 저작 프로세스와는 다른 모의실험이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치과용 임플란트의 추세는?	치과용 임플란트는 골 유착 개념을 바탕으로 도입되어 결손치 환자에게 인공치근 역할을 수행하는 효과적인 치료법으로 적용되고 있으며, 높은 임상적 성공률을 바탕으로 수요가 지속적으로 증가하고 있다(Zhang et al, 2016). 임상적 치료 결과 보고에 따르면, 올바른 설계와 제조를 바탕으로 제작된 치과용 임플란트 보철물은 5년 동안 유지율이 95%를 초과하는 높은 성공률을 보인다고 하였다(Zhang et al, 2016.
	치과용 임플란트의 성공은 어디에 달려있는가?	치과용 임플란트의 성공은 주변 지지골에 응력이 전달되는 방식에 달려있다. 임플란트에서 주변 지지골의 하중 전달은 교합하중 유형, 지지골과 임플란트 경계면 특성, 임플란트 고정체 길이와 직경, 임플란트 고정체 표면 특성, 보철물 유형, 지지골의 양과 질에 따라 다르게 나타날 수 있다(Herekar et al, 2014).
	임플란트 설계 및 재료를 개발에 초점을 두는 이유는?	임플란트에서 주변 지지골의 하중 전달은 교합하중 유형, 지지골과 임플란트 경계면 특성, 임플란트 고정체 길이와 직경, 임플란트 고정체 표면 특성, 보철물 유형, 지지골의 양과 질에 따라 다르게 나타날 수 있다(Herekar et al, 2014). 임플란트와 지지골 경계면에서의 임플란트 설계와 하중 분포 간의 관계는 계속 중요한 문제로 남아 있으며, 생체역학적인 관점에서, 하중으로 인한 최대 지지골 응력을 최소화하는 형상 및 소재로 임플란트를 설계하는 것은 중요하다(Culhaoglu et al, 2013). 따라서 최근 임플란트 제조업체는 임플란트 주위의 응력을 줄일 수 있는 임플란트 설계 및 재료를 개발하는 것에 초점을 두고 있다.

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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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