[논문]치과용 임플란트 지대주나사의 조임체결력에 따른 지지골과 지대주나사의 유한요소법 응력 분석

이명곤

doi:10.14347/kadt.2020.42.2.99

치과용 임플란트 지대주나사의 조임체결력에 따른 지지골과 지대주나사의 유한요소법 응력 분석
A finite element stress analysis on the supporting bone and abutment screw by tightening torque of dental implant abutment screw 원문보기

대한치과기공학회지 = The Journal of Korean Academy of Dental Technology, v.42 no.2, 2020년, pp.99 - 105

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Purpose: A study analysed the stress distribution of abutment screw and supporting bone of fixture by the tightening torque force of the abutment screw within clinical treatment situation for the stability of the dental implant prosthesis. Methods: The finite element analysis was targeted to the mandibular molar crown model, and the implant was internal type 4.0 mm diameter, 10.0 mm length fixture and abutment screw and supporting bone. The occlusal surface was modeled in 4 cusps and loaded 100 N to the buccal cusps. The connection between the abutment and the fixture was achieved by combining three abutment tightening torque forces of 20, 25, and 30 Ncm. Results: The results showed that the maximum stress value of the supporting bone was found in the buccal cortical bone region of the fixture in all models. The von Mises stress value of each model showed 184.5 MPa at the 20 Ncm model, 195.3 MPa in the 25 Ncm model, and 216.5 MPa in the 30 Ncm model. The contact stress between the abutment and the abutment screw showed the stress value in the 20 Ncm model was 201.2 MPa, and the 245.5 MPa in the 25 Ncm model and 314.0 MPa in the 30 Ncm model. Conclusion: The increase of tightening force within the clinical range of the abutment screw of the implant dental prosthesis was found to have no problem with the stability of the supporting bone and the abutment screw.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Schematic diagram of single crown implant model.
표 Table 1. Materials properties used for analysis of the FEM method
표 Table 2. Number of element and node of each models
그림 Figure 2. Distribution of von Mises stress of supporting bone (20 N㎝ torque model).
표 Table 3. Results of von Mises stress of supporting bone by applied torque
그림 Figure 3. Distribution of von Mises stress of abutment screw (20 N㎝ torque model).
표 Table 4. Results of von Mises stress of abutment screw by applied torque

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 임상에서 적용하고 있는 지대주나사의 조임체결력 크기 변화에 대해 지대주나사의 접촉응력을 분석하여 체결력의 변화를 연구하였으며, 체결력에 따른 지지골의 안정성 변화를 분석하여 조임체결력에 따른 치과 임플란트 보철물의 안정성에 대해 파악하고자 시행하였다.

가설 설정

지지골을 구성하는 피질골과 해면골은 이방성 (anisotropy)이나 실험 모델의 단순화를 위하여 모델을 구성하는 전체 구조 부분은 등방성 (isotropy), 균질성 (homogenization), 선형 탄성 (linear elasticity)인 물질로 가정하였으며, 모델링과 유한요소 응력 분석은 유한요소 해석 범용 프로그램인 Solidworks (Premium 2013, Dassault System, France)를 사용 하였다. 모델을 구성하는 재료들의 탄성계수 (Young’s modulus)와 포와송비 (Poisson’s ratio)의 물성적 자료는 문헌 보고에서 제시된 자료 (Lee, 2016)를 이용하였으며, Table 1에 나타내었으며, 실험 유한요소 모델링에 사용된 각 구성부분의 절점 (node)과 요소 (element)의 수는 Table 2에 제시하였다 (Fig.
치관보철물 구조는 시멘트 유지형으로 내부 지대주와 결합되는 금속 내관 (coping cap)과 치아 형태를 모방한 도재관 (ceramic crown)으로 구성하였다. 치관보철물과 지대주는 치과용 시멘트로 유지시키고 있으나 시멘트 층에 의한 응력 변화 영향성을 피하기 위해 치관보철물과 지대주는 완전 결합된 상태로 설정하였고, 지대주와 임플란트를 연결하는 나사 구멍은 설계하지 않았다.

제안 방법

20, 25, 30 N㎝의 조임체결력이 적용된 3 종의 모델에 100 N의 교합 하중으로 발생되는 지대주와 접촉 부위의 지대주나사의 접촉 응력으로 최대 등가응력값 (von Mises stress)을 분석하였으며, 임플란트 고정체를 지지하고 있는 지지골 조직의 최대 등가응력값을 이용하여 분석하였으며, 등간격으로 구분된 응력 값의 분포 상태를 색깔별로 나타내었다.
그리고 지대주와 고정체의 연결은 지대주나사 체결에 의한 결합으로 임상에서 많이 적용하고 있는 20, 25, 30 N㎝의 3 종의 조임체결력을 적용하여 3 개 모델을 제작하였다.
임상 치료 상황에서 나사 풀림으로 인한 보철물 파괴와 지지골 결합 손상의 경험으로 임상가들은 강한 조임체결력을 부여하고자 하는 경향이 있으며 임상적 적용 범위 내에서의 조임체결력 변화에 대해 지지골과 지대주 나사의 응력 변화에 대한 자료가 필요하다고 할 수 있다. 본 실험은 임상적 조임체결력으로 20, 25, 30 N㎝ 로 한정하여 동일한 모델에서 조임체결력만을 변화시켜 고정체 지지골의 응력 변화와 지대주나사의 접촉 응력 변화를 조사하였다.
지대주나사의 조임체결력에 따른 지대주나사의 접촉 응력과 지지골의 응력 분포를 분석하기 위하여 유한요소법 모델을 제작하였다. 분석 조건을 응력 조건만으로 단순하게 구성하기 위하여 구치부 단관 보철물과 1 치관 임플란트 지지골 모델을 제작하였다.
이때 지대주나사의 조임체결력에 따라 고정체 지지골의 응력 차이가 발생할 것으로 예상하고 1 치관보철물 임플란트 모델을 제작하여 조임체결력으로 20 N㎝, 25 N㎝, 30 N㎝을 적용하고 100 N의 교합 모방 하중을 협측 교두에 부여하여 지지골의 응력 분포를 조사하여 조임체결력의 영향성을 조사하였다.
임플란트 치과보철물에서 치관과 지지골을 연결하는 지대주나사의 조임체결력 크기 변화에 따른 지대주나 사의 접촉응력 변화 양상과 고정체 지지골의 응력 변화 양상을 분석하여 치과 임플란트 보철물의 안정성을 연구한 바 다음과 같은 결론을 얻었다.
지대주나사의 조임체결력에 따른 지대주나사의 접촉 응력과 지지골의 응력 분포를 분석하기 위하여 유한요소법 모델을 제작하였다. 분석 조건을 응력 조건만으로 단순하게 구성하기 위하여 구치부 단관 보철물과 1 치관 임플란트 지지골 모델을 제작하였다.

대상 데이터

유한요소법 분석을 위하여 제작한 모델은 하악 제1 대구치를 대상으로 하였으며, 임플란트는 국내 D사의internal type 직경 4.0 ㎜, 길이 10.0 ㎜ 고정체와 지대주, 지대주나사를 선택하여 제조사의 설계도면을 바탕으로 자료를 입력하였다. 임플란트 구조에 결합되는 제1대구치 치관보철물 구조는 금속-도재관(metalceramic crown)으로 설계하였으며, 고정체 지지 치조골 형태는 하악골로 설계 제작하여 그 단면 상태도를 Fig.

성능/효과

1. 지대주나사의 조임체결력을 증가시키면 임플란트 지지골의 응력도 증가하였으나 증가 정도는 상대적으로 적게 나타났다.
2. 지대주나사의 조임체결력을 증가시키면 지대주나사의 접촉 응력도 증가하였으며 증가 정도는 비례적으로 유사하게 나타났다.
5 MPa의 값을 보였다. 20 N㎝ 조임체결력을 25 N㎝로 125%로 증가시켰을 때 지지골 응력은 105.9%의 증가를 보였으며 25 N㎝에서 30 N㎝로 120%로 증가시켰을 때는 응력값은 110.9%로 증가되었고, 20 N㎝ 체결력 모델과 30 N㎝ 체결력 모델 간에는 150%로 체결력이 증가했지만 지지골에서는 117.3%의 응력 증가만을 보였다.
3. 임플란트 치과보철물의 지대주나사의 임상적 적용 범위 내의 조임체결력 증가는 지지골과 지대주나사의 안정성에 문제가 없는 것으로 나타났다.
각 모델의 지대주나사의 접촉 응력으로 평가한 최대 응력값은 조임체결력 20 N㎝에서는 184.5 MPa의 최대 등가응력값을 나타내었고, 25 N㎝ 적용 모델에서는 195.3 MPa, 30 N㎝ 적용 모델은 216.5 MPa의 값을 보였다. 조임체결력을 20 N㎝에서 25 N㎝로 125% 증가시켰을 때 지지골 응력은 105.
본 연구 분석 결과는 지지골의 최대 응력값은 3 종의 모델에서 모두 고정체 식립 피질골 협측부에 나타났으며, 3 종 모델이 동일한 형태의 응력 분포양상을 보여 본문에서는 20 N㎝ 분포 그림만 수록하였다. 분포 양상은 최대 응력값이 발생한 피질골에서 멀어지면 급격하게 응력값이 낮아지는 현상을 보이고 있다.
3에 제시하였으며, 조임체결력을 달리하는 3 종 모델의 접촉 응력값은 Table 4에 보고하였다. 본 연구에서 분석한 접촉 응력값은 지대주와 지대주나사의 접촉 부위만을 조사하였으며 고정체의 내부 나사와 접촉하는 지대주나사의 나사산 부위에서도 접촉 응력값을 얻을 수 있지만 지대주와 지대주나사 간의 접촉부위와 동일한 상태를 보이고 있어 본 연구에서는 지대주와 지대주나사 접촉부 응력만을 발표하였다.
실험 분석 결과는 지지골의 최대 응력값 부위는 모두 고정체 식립 피질골 협측부에 나타났으며, 이 결과는 치과보철물의 협측 교두에 교합 하중을 적용하여 고정체와 지지골의 결합부위를 회전축으로 모멘트 발생으로 인한 것으로 판단된다. 조임체결력 20 N㎝을 적용한 모델에서는 184.
이러한 결과는 지대주나사의 조임체결력을 증가시켜도 지지골에서는 비례적인 응력 증가가 나타나지 않았으며 지지골의 안정성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 교합 하중이 지대주나사를 통해 고정체로 전달되면서 상당 부분 분산 흡수되었다고 볼 수 있으며 지지골의 탄성계수가 높아 역시 응력 분산 흡수에 역할을 하였다고 사료된다.
5 MPa의 값을 보였다. 조임체결력을 20 N㎝에서 25 N㎝로 125% 증가시켰을 때 지지골 응력은 105.9%의 증가를 보였으며 25 N㎝에서 30 N㎝로 120% 증가시켰을 때는 110.9%로 증가되었다. 또한 20 N㎝ 체결력과 30 N㎝로 150% 의 체결력을 증가했을 때는 117.

후속연구

본 실험 연구로 임플란트 지대주와 보철물의 연결 고정력을 증가시킬 수 있는 보다 강한 조임체결력을 적용하여도 지지골의 영향이 적어 임상적 응용이 가능하다고 판단된다. 다만 본 연구는 생체실험이 아니며 모든 구조를 단순화시킨 모의실험으로 직접 적용에는 한계점이 많다고 생각되며 실질골과 유사한 물리적 특성 조건의 실험과 지대주나사의 진동에 의한 미세거동, 반복 하중에 따른 진동 등에 대한 다양한 추수 연구가 필요하다고 사료된다.
본 실험 연구로 임플란트 지대주와 보철물의 연결 고정력을 증가시킬 수 있는 보다 강한 조임체결력을 적용하여도 지지골의 영향이 적어 임상적 응용이 가능하다고 판단된다. 다만 본 연구는 생체실험이 아니며 모든 구조를 단순화시킨 모의실험으로 직접 적용에는 한계점이 많다고 생각되며 실질골과 유사한 물리적 특성 조건의 실험과 지대주나사의 진동에 의한 미세거동, 반복 하중에 따른 진동 등에 대한 다양한 추수 연구가 필요하다고 사료된다.
임상 치료 상황에서는 보다 견고한 결합력을 얻고자 조임체결력을 정상보다 강한 조임력을 적용하거나 작업 실수 등 여러 원인으로 정상 조임체결보다 낮은 조임체결력이 적용되는 경우도 있을 것으로 예상된다. 이와 같은 지대주나샤의 임상적 조임체결 작업과정에서 일어날 수 있는 지대주나사의 조임체결력 정도에 따라 지대주나사의 응력 변화에 대한 연구가 필요하다고 생각되며, 또한 지대주나사의 잠금체결력 정도에 따른 교합 하중에 대한 지지골의 응력 변화에 대해서도 연구가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치과 임플란트 보철물에 있어서 전하중은 무엇을 말하는가?	지대주나사에 가해진 조임력에 의해 고정체와 지대주를 연결하는 지대주나사에서 결합력을 생성시키는데 이를 전하중 (preload)이라고 한다. 이는 조임력을 가하면 나사가 신장되어 장력을 발생시키는데 이때 나사의 탄성 회복으로 인해 두 부분을 서로 당기게 되는 잠금력 (clamping force)이 생성된다 (Shin et al.
	치과 임플란트 보철물은 무엇으로 구성되는가?	치과 임플란트 보철물은 지지골 (supporting bone)에 삽입되어 인공치근 역할을 하는 고정체 (fixture)와 지대주 (abutment) 위에 제작되어 치아 기능을 회복하는 상부 보철물로 구성되며 이 두 구조는 지대주나사 (abutment screw)에 의해 조임체결력 (tightening toque)으로 연결 결합되어 이용한다 (Lee et al., 2006; Kim et al.

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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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