[논문]지르코니아 및 티타늄 임플란트를 사용한 지지골 및 임플란트 유지 수복물의 응력 분포 비교: 3차원 유한 요소 분석

홍민호

doi:10.14347/jtd.2020.42.4.348

[국내논문] 지르코니아 및 티타늄 임플란트를 사용한 지지골 및 임플란트 유지 수복물의 응력 분포 비교: 3차원 유한 요소 분석
Comparison of stress distribution in bone and implant-supported dental prosthesis with zirconia and titanium implants: a 3-dimensional finite element analysis 원문보기

Journal of technologic dentistry : JTD, v.42 no.4, 2020년, pp.348 - 354

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Purpose: Zirconia is differentiated from other ceramics because of its high resistance to corrosion and wear, excellent flexural strength (900~1400 MPa), and high hardness. Dental zirconia with proven mechanical/biological stability is suitable for the manufacture of implants. However, there are limited in vivo studies evaluating stress distribution in zirconia compared with that in titanium implants and studies analyzing finite elements. This study was conducted to evaluate the stress distribution of the supporting bone surrounding zirconia and titanium implants using the finite element analysis method. Methods: For finite element analysis, a single implant-supported restoration was designed. Using a universal analysis program, eight occlusal points were set in the direction of the occlusal long axis. The occlusal load was simulated at 700 N. Results: The zirconia implant (47.7 MPa) von Mises stress decreased by 5.3% in the upper cortical bone compared with the titanium implant (50.2 MPa) von Mises stress. Similarly, the zirconia implant (20.8 MPa) von Mises stress decreased by almost 4% in the cancellous bone compared with the titanium implant (21.7 MPa) von Mises stress. The principal stress in the cortical and cancellous bone exhibited a similar propensity to von Mises stress. Conclusion: In the supporting bone, the zirconia implant is able to reduce bone resorption caused by mechanically transferred stress. It is believed that the zirconia implant can be a potential substitute for the titanium implant by reinforcing aesthetic characteristics and improving stress distribution.

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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 FEA를 사용하여 지르코니아와 티타늄 임플란트 주위 지지골의 응력 분포를 평가하는 것이다.
본 연구에서는 3차원 FEA를 사용하여 지르코니아 임플란트 적용에 대한 지지골의 안정성을 평가하였다. FEA를 사용하면 복잡한 구조와 재료의 변수를 처리하여 임상 현실에서 예상되는 생체 역학적 동작을 정성적으로 계산할 수 있다.

가설 설정

임플란트와 피질골, 임플란트와 지대주 나사는 나사선으로 결합되어있고 임플란트와 지대주도 지대주 조임 토크로 단단하게 결합되어 있어 완전결합으로 가정하였다. 단 지대주 나사 머리의 외측과 지대주의내측면은 마찰 계수 0.
선행 연구[19, 21-23]와 유사하게 해석에 적용된 구조물의 단순화를 위해 구조물의 기계적 특성이 세 가지 방향으로 모두 동일하다는 등방성(isotropy)과 모든 위치에서 균일하다는 균질성(homogeneity)을 가정하였다. 임플란트 재료의 소성(plasticity)은 고려하지 않고 선형 탄성(liner elasticity)을 가정하였다.
모든 위치에서 균일하다는 균질성(homogeneity)을 가정하였다. 임플란트 재료의 소성(plasticity)은 고려하지 않고 선형 탄성(liner elasticity)을 가정하였다.

제안 방법

두 가지 임플란트 소재(지르코니아 및 티타늄) 적용에 따른 임플란트 주위 지지골에 발생하는 응력 분산과 크기의 경향성을 알아보기 위해 Fig. 1과 같이 단관 구조 임플란트 시스템(CATIA; Dassault Systemes, Velizy-Villacoublay, France)을 구축하였다. 상부 보철물은 자연치 스캔 데이터를 CAD (computer-aided design) 프로그램에서 편집하여 설계하였다.
1과 같이 단관 구조 임플란트 시스템(CATIA; Dassault Systemes, Velizy-Villacoublay, France)을 구축하였다. 상부 보철물은 자연치 스캔 데이터를 CAD (computer-aided design) 프로그램에서 편집하여 설계하였다. 또한 단관 임플란트 시스템의 설계는 하악 대구치가 위치할 지지골을 설계하였다.
상부 보철물은 자연치 스캔 데이터를 CAD (computer-aided design) 프로그램에서 편집하여 설계하였다. 또한 단관 임플란트 시스템의 설계는 하악 대구치가 위치할 지지골을 설계하였다. 단관 임플란트 시스템의 구조물은 임플란트(implant), 지대주(abutment), 지대주 나사(abutment screw), 피질골(cortical bone), 그리고 해면골(cancellous bone)로 구성하였다.
구성 요소별 결합 관계는 지대주와 임플란트, 임플란트와 피질골, 피질골과 해면골은 완전히 결합된 것으로 가정하고 임플란트 재질에 따른 내부 응력 분포를 관찰하기 위하여 임상과 유사한 조건을 묘사하기 위해 지대주 나사 조임 토크(tightening torque)는 32 N을 적용하였으며 지대주 나사에 의해 지대주와 임플란트가 결합되도록 설계하였다. 또한, 연구에 사용된 모델은 임플란트 소재를 달리하여 Zir-model 그리고 Ti-model로 분류하였다.
설계하였다. 또한, 연구에 사용된 모델은 임플란트 소재를 달리하여 Zir-model 그리고 Ti-model로 분류하였다.
단관 구조 임플란트 시스템 설계 후 메쉬(mesh) 이산화 과정의 기하학적 오류 특성을 최소화하기 위해 NX 10 Pro-Post에서 mean size 0.5 mm 크기의 mesh를 설정하였다. Tetra 10 node 약 20만 개로 구성된 단관 임플란트 시스템의 해석 모델에 하중과 경계조건을 적용하여 범용성 해석 프로그램으로(Abaqus; Dassault Systemes, Waltham, MA, USA) 분석하였다.
5 mm 크기의 mesh를 설정하였다. Tetra 10 node 약 20만 개로 구성된 단관 임플란트 시스템의 해석 모델에 하중과 경계조건을 적용하여 범용성 해석 프로그램으로(Abaqus; Dassault Systemes, Waltham, MA, USA) 분석하였다.
2에 나타내었다. 또한 하악골 양 측면은 X, Y, Z 변위이동을 막기 위해 완전 구속시켰다.
본 연구에서의 하중 형태는 임상적으로 가장 많이 적용되는 교합 하중을 모방하여 수직 하중을 적용시켰다. 하중의 크기는 최대 하중에 해당하는 700 N의 하중을 8개의 교합점으로 나누어 균일하게 분산시켰다.
FEA의 정확도를 높이기 위해 현재 연구에서는 시뮬레이션 모델의 세부사항과 물리적ㆍ기계적 특성을 검증된 수치값을 바탕으로 진행하였다. 그럼에도 불구하고 FEA를 이용한 구조물 설계와 역학적 분석값은 실제 환자의 구강 내 모든 역학적 조건과 생화학적 내용들을 포함하고 있지는 않다[19].
[18, 19, 21]. 본 연구에서는 기존의 연구와 차별성을 부여하기 위해 중심 교합위(centric occlusal position) 상태를 묘사하기 위해 8개의 교합점을 적용하였다. 본 연구에 나타난 VMS값은 선행 연구보다 월등히높은 하중 적용으로 피질골과 해면골에서 높은 VMS를 기록한 것으로생각된다.
본 연구에서는 FEA를 사용하여 지르코니아와 티타늄 임플란트 주위지지골의 응력 분포를 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

또한 단관 임플란트 시스템의 설계는 하악 대구치가 위치할 지지골을 설계하였다. 단관 임플란트 시스템의 구조물은 임플란트(implant), 지대주(abutment), 지대주 나사(abutment screw), 피질골(cortical bone), 그리고 해면골(cancellous bone)로 구성하였다.
단관 임플란트 시스템에서 internal type 직경 5 mm, 길이 11.5 mm의 임플란트(AnyOne; MEGAGEN, Daegu, Korea)를 사용하였다. 지대주는(ZrGen abutment; MEGAGEN) 직경 4.
5 mm의 임플란트(AnyOne; MEGAGEN, Daegu, Korea)를 사용하였다. 지대주는(ZrGen abutment; MEGAGEN) 직경 4.5 mm, cuff 1.5 mm, post-height 4.5 mm의 구조를 가지는 기성 지대주를 사용하였다. 지대주 나사의 직경은 1.
1 mm이다. 본 연구에서 사용된 지대주와 지대주 나사 그리고 임플란트는 실제로 제작된 Ti-6Al-4V 합금의 물성을 해석에 사용하였다. Table 1 [19, 22]에 연구에 사용된 물성치를 나타내었다.
Table 1 [19, 22]에 연구에 사용된 물성치를 나타내었다. 피질골은 해면골 외각을 1.4~3.7 mm 정도의 두께로 감싸는 형상으로 설계하였다.

성능/효과

VMS의 가장 높은 값은 임플란트를 주변 피질골 내측의 나사선 부분에서 나타났다. 또한 해면골의 가장 높은 VMS값은 피질골과 해면골의 경계 부분에서 보였다. 피질골에서 지르코니아 임플란트(47.
FEA를 사용하면 복잡한 구조와 재료의 변수를 처리하여 임상 현실에서 예상되는 생체 역학적 동작을 정성적으로 계산할 수 있다. 본 연구에서 지르코니아 임플란트는 기존에 활용되는 티타늄 임플란트와 유사한 지지골 응력 분산과 크기를 보여주었다.
본 연구에서는 기존의 연구와 차별성을 부여하기 위해 중심 교합위(centric occlusal position) 상태를 묘사하기 위해 8개의 교합점을 적용하였다. 본 연구에 나타난 VMS값은 선행 연구보다 월등히높은 하중 적용으로 피질골과 해면골에서 높은 VMS를 기록한 것으로생각된다. 또한 본 연구의 결과에서 응력값은 두 소재 간의 차이가 유사하지만 분산되는 응력 분포가 다른 것을 시사한다[22, 24].
본 연구에서는 지르코니아 임플란트를 적용한 임플란트 시스템은 티타늄 임플란트 시스템보다 높은 탄성 계수로 내부 구조 내에서 더 많은응력을 분산시켰다. 이는 지르코니아의 탄성 계수가 임플란트의 높은내부 VMS 그리고 낮은 등가 변형에 반영되어 구조물의 변위를 동등하게 낮추는 역할을 한 것으로 간주된다[21, 24].
본 연구에서 지르코니아 임플란트의 적용은 잠재적으로 임상 결과를 개선하고 특히 지지골 흡수가 더 쉽게 발생하는 지지골과 임플란트 경계에서 주변 지지골의 손실을 줄일 수 있음을 보여주었다(Fig. 3, 4). 최근 FEA 임플란트 시스템의 연구에서는 지르코니아가 티타늄에 비해 더 높은 응력을 나타내는 해석 결과를 지적했다[23].
1. 지르코니아 소재의 강성과 본질적으로 높은 탄성 계수로 인해 지르코니아 임플란트는 티타늄 임플란트보다 임플란트 주변 지지골(피질골 및 해면골) 응력 분포 측면에서 더 유리한 응력 분산을 나타낸다.
2. 지르코니아 임플란트는 주변 지지골에 기계적으로 전달된 응력에의해 발생하는 골흡수를 줄일 수 있는 특성을 나타낼 수 있다. 지르코니아 임플란트는 지르코니아 고유의 색상으로 심미적 특성뿐만 아니라개선된 응력 분포를 나타내어 티타늄 임플란트의 잠재적인 대체 재료가 될 수 있다고 제안된다.

후속연구

향후 지르코니아 임플란트가 티타늄 임플란트에 대한 좋은 임상 대안임을 증명하기 위해서는 많은 환자 케이스를 대상으로 접근한 전향적 임상연구가 필요할 것이다. 또한 연구설계 시 결정한 지지골의 등방성, 균질성은 생체와 다소 차이가 발생할 수 있으며 구강 내에서 실제 교합력은 동적 하중이기 때문에 정적 하중에 비해서 하중의 지속 크기와 시간에 차이가 발생할 수 있으므로 하중의 적용 방법, 구조물의 구성 등의 지속적인 연구가 필요하다.
임상연구가 필요할 것이다. 또한 연구설계 시 결정한 지지골의 등방성, 균질성은 생체와 다소 차이가 발생할 수 있으며 구강 내에서 실제 교합력은 동적 하중이기 때문에 정적 하중에 비해서 하중의 지속 크기와 시간에 차이가 발생할 수 있으므로 하중의 적용 방법, 구조물의 구성 등의 지속적인 연구가 필요하다.
지르코니아 임플란트는 주변 지지골에 기계적으로 전달된 응력에의해 발생하는 골흡수를 줄일 수 있는 특성을 나타낼 수 있다. 지르코니아 임플란트는 지르코니아 고유의 색상으로 심미적 특성뿐만 아니라개선된 응력 분포를 나타내어 티타늄 임플란트의 잠재적인 대체 재료가 될 수 있다고 제안된다.

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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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