한국표면공학회지 J. Korean Inst. Surf. Eng.
Vol. 51, No. 5, 2018.
https://doi.org/10.5695/JKISE.2018.51.5.309
<연구논문>
ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)
치과용 세라믹 임플란트 지대주의 기계적 특성 및 절단면 평가
황준호a,b, 권성민a, 최성기c, 성미애d, 이규복e,f,*
a첨단정보통신융합산업기술원, b경북대학교 치의과학과, c해피엘, d영남대학교 보건대학원,
e경북대학교 첨단치과의료기기개발연구소, f경북대학교 치과대학 치과보철학교실
Mechanical Properties and Cross-sectional Surface Evaluation of Dental Ceramic Abutment
Jun Ho Hwanga,b,*, Sung-Min Kwona, Sung Gi Choic, Mi Ae Sungd and Kyu-Bok Leee,f,*
a
Institute of Advance Conversion Technology, Kyungpook Nation University, 70, Dongnae-ro, Dong-gu, Daegu, 41061, Republic of Korea
b
Department of Dental Science, Graduate School, Kyungpook National University, 2177 Dalgubeol-daero, Jung-gu, Daegu 41940, Republic of Korea
c
Happy. L. Co., Ltd. 70 Dongnae-ro, Dong-gu , Daegu 41061, Republic of Korea
d
Department of Public Health Graduate School Yeungnam University, 280, Daehak-ro, Gyeongsan-si, Gyeongsangbuk-do, Republic of Korea
e
Advanced Dental Device Development Institute (A3DI), Kyungpook National University, 2177 Dalgubeol-daero, Jung-gu, Daegu 41940, Republic of Korea
f
Department of Prosthodontics, School of Dentistry, School of Dentistry, Kyungpook National University, 2177 Dalgubeol-daero, Jung-gu, Daegu 41940, Republic of Korea
(Received 14 September, 2018 ; revised 21 September, 2018 ; accepted 2 October, 2018)
Abstract
The purpose of this study is to assess the mechanical properties of the ceramic abutment with washer.
In this study, ceramic abutment were used, tested with 30
ocompression load, shear fatigue, adaptation accuracy test(rotation angle, contact interval), removal torque force test, torsional breaking force test. The 30
ocompression load was 729 N, the shear fatigue load was 275 N, adaptation accuracy test of rotation angle was within 3
o, contact interval within 10
µm, and removal torque force test value is 18.88 N·cm, torsional breaking force test value is 35.52 N·cm. Ceramic abutment with a washer fitted have sufficient mechanical strength and may be substituted for titanium abutment.
Keywords : Ceramic abutment, Washer, Implant, Mechanical strength, Screw loosening
1. 서 론
주변 골조직과 치주인대로 연결되어 있는 자연치 와 달리, 임플란트 시스템은 고정체(fixture), 지대주
(abutment) 및 상부 보철물이 지대주 나사(Screw)로 유지되고 있어 자연치와는 유지 형태에서 큰 차이 가 있다 [1]. 이러한 유지 형태로 인해 기계적 강도 와 생체 적합성이 우수한 티타늄이 치과용 임플란 트 재료로 가장 많이 사용되어 왔으며, 이에 대한 많은 연구가 보고 되었다 [1]. 의료용 임플란트가 치과에 적용되었을 때, 치과용 임플란트는 구강의 움직임에 따라 발생하는 기계적 응력과 pH, 온도, 화학적 조성 등의 구강환경에서 견딜 수 있어야 한
*
Corresponding Author: Kyu-Bok Lee
Department of Prosthodontics, School of Dentistry, School of Dentistry, Kyungpook National University
Tel: +82-53-600-7674 ; Fax: +82-53-426-7661
E-mail: [email protected]
다 [2].하지만 임플란트 지대주로 가장 많이 사용 되었던 티타늄은 환자에 따라 연조직의 두께가 얇 은 경우, 수복물의 치은부위에 회색 음영을 남기는 문제가 있었다 [3]. 또한 수복 후 시간이 지남에 따 라 치은 퇴축으로 인해 치은연에서 금속이 노출되 는 등 전치부에서 심미적으로 좋지 않은 현상이 발 생되기도 하였다 [3]. 이러한 문제점 때문에 티타늄 을 대체가능한 재료로서 가장 활발하게 연구된 것 이 세라믹 재료이다.
세라믹은 치아의 색과 유사하다는 장점 때문에 수복재료 뿐만 아니라 생체재료로서 주목을 받아 개발되고 있다 [4]. 그 중에서도 지르코니아는 생체 적합성 뿐만 아니라 기계적 성질, 치아와 유사한 색 상 등 여러 가지 장점 때문에 티타늄을 대체할 수 있는 재료로 연구가 활발히 진행되고 있다 [4]. 본 래 치과수복용 재료로 사용되었던 세라믹이 티타늄 임플란트 고정체의 코팅재료로 사용되기도 하였고, 뿐만 아니라 임플란트 고정체의 주재료로도 연구가 진행되었다 [1].
임플란트 수복의 성공에 있어, 기계적 강도는 매 우 중요한 요인으로 작용한다 [5]. 기계적인 강도에 영향을 주는 요소로는 재료적 특성뿐만 아니라 지 대주의 직경과 길이, 디자인, 적합도 등이 있다 [5].
이러한 임플란트 지대주의 기계적인 특성을 평가하 는 방법으로는 압축 굽힘 강도시험과 내구성 한계 의 측정을 위한 피로강도 시험이 있다 [5].
임플란트 수복 후 발생하는 문제 중 하나는 지지 체와 지대주를 고정하는 나사풀림현상 발생이다 [6].
나사풀림현상의 원인으로는 불량한 가공 상태, 표 면침하 현상, 기능하중에 의한 진동, 나사의 부적절 한 디자인, 부적절한 조임 회전력, 과부하에 의한 나사의 소성변형 등이 있다 [6]. 나사풀림현상은 임 플란트 보철물의 파절, 스크류 파절, 고정체 파절 등의 기계적인 문제점이 발생하는 원인이 될 수 있 으며, 파절에 의한 미세한 간격이 발생하여 미생물 이 침투하여 임플란트 수복이 실패할 수 있다 [6].
나사풀림현상을 방지하기 위해 나사의 형태, 개수, 위치, 길이에 변화를 주기도 하며, 나사 표면의 특 성에 변형을 가하는 방법들이 있다 [6]. 또한 나사 연결부에 가해지는 과부하를 방지하기 위해 지대주 나사에 적정 조임회전력을 가하여 전하중을 증가시 키면 나사 풀림이나 파절을 방지할 수 있다 [6]. 나 사가 풀리면 응력의 분산이 적절하지 않게 되어 특 정 부위의 과부하로 인한 나사 파절까지 야기되는 문제가 발생할 수도 있다 [6]. 나사 풀림이나 파절을 방지하기 위해서는 나사 연결부에 가해지는 과부하 를 예방 해야 하며, 전하중을 증가 시켜야 한다 [7].
이와 같은 나사 풀림이나 파절을 방지하기 위해 서 Versluis 등 [8]은 알루미늄 와셔 (Washer)를 사 용한 실험을 통해, 나사풀림현상은 나사의 재질과 저 작력, 진동과 축방향의 응력도 영향을 미치며 와셔 를 이용한 체결방법의 변화가 조임력을 증가시켜, 나 사의 풀림을 방지하는데 도움을 준다고 보고하였다.
Korioth 등 [9]은 스테인리스 스틸 재질의 와셔를 사용한 실험을 통해 나사의 회전변위가 증가된 결 과를 보고하였다. 그동안 티타늄 지대주에 대한 선 행된 연구는 많이 보고가 되었으나, 세라믹 지대주 의 기계적 특성연구는 그리 많지 않다. 특히 세라 믹 지대주에 와셔를 체결한 나사의 풀림 토크에 대 한 연구가 많지 않았다. 이에 본 연구에서는 임플 란트 고정체에 세라믹 지대주를 체결할 때 티타늄 재질의 와셔를 실험재료로 사용하였다.
이 연구의 목적은 와셔가 체결된 세라믹 지대주 에 30o 압축하중, 전단피로도, 정밀적합도, 풀림 토 크, 회전전단강도 측정을 통해 기계적 안정성을 평 가하는 것이다.
2. 본 론
2.1. 실험방법
본 연구에서는 직경 4.0 mm, 길이 13 mm의 세라 믹 지대주 (happy. L, Daegu, Korea)를 실험에 사용 하였다 (그림 1). 제조사에 따르면 세라믹 지대주는 지르코니아 (ZrO2) 소재로 제작되었으며, 포매하기 전 시편의 사진은 그림 2와 같다.
1) 30o압축하중 및 전단피로도 (n = 5)
ISO 14801 규정에 따라 만능강도시험기(Universal testing machine, Instron 3367, Instron Co., U.S.A.) 를 이용하여 하중속도는 1.0 mm/min에서 항복하중 (0.2% offset)과 최대하중이 지날 때까지 30o 압축 시험을 실시하였다.
Fig. 1 Screw with a ceramic abutment and washer
와셔가 체결된 나사를 지대주와 고정체에 고정한 후 ISO 14801:2007(E) 시험규격에 따라 피로시험 (Fatigue testing machine, Instron E3000, Instron Co., U.S.A.)을 실시하였다 (그림 3). 시험은 20 ± 5oC 대기 중에서 14 Hz 반복주파수로 진행하였으 며, 시편 모두 피로 캡을 씌우고 시험하였다. sine 파형의 하중제어 방식으로 평균 30o 최대압축하중 값인 729 N의 약 80% 하중부터 피로시험을 시작했 다. 하중을 조금씩 낮추어 시험하면서 최종 피로한 도를 찾았다. 최종 피로한도는 5 × 106cycle을 견뎌 냈을 때의 하중으로 기록하였다.
2) 정밀적합도 (1) 회전각 (n = 5)
임플란트 고정체 (ZCA4501, happy. L, Daegu, Korea)를 회전각 측정기 하부에 고정하고 세라믹 지대주를 회전각 측정기 상부에 고정한 후 고정된 임플란트 고정체와 세라믹 지대주를 동심축 방향으 로 결합시켰다. 시계방향(CW)과 반시계방향(CCW)으
로 회전을 주면서 지시되는 최대각도를 측정했다. 회 전각을 측정하고 회전방지구조특성이 잘 나타나도 록 영상현미경 (SV-35, Sometech Inc., Seoul, Korea)을 이용하여 사진을 촬영했다.
(2) 접촉간격 (n = 3)
임플란트 고정체 (ZCA4501, happy. L, Daegu, Korea)와 세라믹 지대주를 제조사의 권장토크 (22 N·cm)로 체결하고, 시편을 포매한 후 임플란트의 길이 방향으로 절반을 연마하여 갈아냈다. 영상현 미경 (SV-35, Sometech Inc., Seoul, Korea)으로 임 플란트 연결부 틈새의 접촉간격을 측정하고 사진을 촬영했다.
3) 풀림 토크 (n = 5)
임플란트 고정체와 세라믹 지대주의를 제조사의 권장토크 (22 N·cm)로 체결 후 나사 풀림 토크의 차이를 알아보기 위해 풀림 토크 시험을 실시하였 다. 우선 임플란트 고정체에 세라믹 지대주를 체결 하고 토션 테스터(Vortex-i, Mecmesin Co., Nottingham, U.K.)의 하부 지그에 고정시켰다. 그 후 세라믹 지대주를 토션 테스터의 상부 지그에 물 렸다. 토션 테스터를 이용해 분당 2o의 속도로 권 장토크(22 N·cm)까지 시계방향(CW, 조임)으로 조 였다. 시계 반대방향 (CCW, 풀림)으로 풀어 풀림 토크를 측정했으며, 스크류가 풀리면서 측정된 최 대 토크값을 풀림 토크값으로 결정했다.
4) 회전전단강도 (n = 5)
고정체와 지대주 등을 나사선을 이용하여 고정하 는 방식의 임플란트를 대상으로 적용되는 시험으로 임플란트 고정체와 지대주의 체결 시 발생하는 압축 력, 마찰력, 전단력 등 하중에 대한 구조물의 안정성 을 평가하기 위해 임플란트 고정체에 지대주를 체결 하고 체결된 고정체 부분을 토크테스터 (Vortex-i, Mecmesin Co., Nottingham, U.K.)의 하부 지그에 물렸다. 시편 위에 드라이버를 끼우고 드라이버를 토션 테스터의 상부 지그에 물렸다. 시편의 파절 또 는 변형이 일어날 때까지 분당 2o의 속도로 시계방 향(CW, 조임)으로 조였다. 이 때, 측정된 최대 토 크값(N·cm)을 회전전단강도 (N·cm)로 하였다.
3. 결 과
1) 30o압축하중
하중-변형 그래프는 그림 3과 같으며, 30°최대압 축하중은 시편 5개의 하중 값이 593.94 - 1019.78
Fig. 2. Specimen before embedded
Fig. 3 Fatigue test set-up
N 사이의 값을 나타냈고 평균 729 N 으로 나왔다 (표 1).
3.1 전단피로도
시편 3개 모두 275 최대하중을 5,000,000Cycle을 견디어, 피로한계 하중은 275 N의 결과 값을 나타 냈다. 하중-반복횟수 그래프는 그림 4와 같다. 제품 의 파손, 균열, 변형 등이 발생하지 않았으며 나사 의 풀림도 없었다 (그림 6).
2) 정밀적합도 (1) 회전각 (n = 5)
영상 현미경 촬영결과 시편 다섯 개의 회전각 평균은 1.32o로 나왔다 (그림 7). 그리고 체결 상 단부와 체결 나사부의 간격은 10 µm 이하의 결 과값을 보였으며, 회전각은 3o 이하로 나왔다 (그림 7).
(2) 접촉간격 (n = 3)
체결 상단부와 체결 나사부의 간격은 10 µm 이
Table 1. Results of 30
ocompressive loads test
시편1 시편2 시편3 시편4 시편5
30
o항복압축하중 (N) 289.85 924.03 405.66 560.31 449.13
30
o최대압축하중 (N) 796.26 1019.78 622.99 609.66 593.94
30
o항복변형량 (mm) 0.40 0.85 0.29 0.71 0.61
30
o최대변형량 (mm) 0.96 1.05 0.81 0.71 1.88
30
o항복압축시변형율 (N/mm) 724.63 1087.09 1398.83 789.17 736.28
30
o최대압축시변형율 (N/mm) 829.44 971.22 769.12 858.68 315.93
Fig. 4. Stress-Strain curve diagram
Fig. 5. Load-cycle diagram
Fig. 6. After testing specimen
Fig. 7. Characteristics of rotation-prevention structure.
하로 그림 8에서 현미경으로 확인하였다. (그림 8 C와 D에서 abutment와 fixture의 간격은 10 µm로 확인) 그림 8 A는 Top view에서, 그림 7 B는 Enlarge View에서, 그림 8 C와 그림 8 D는 각각 좌 우 Margin Opening을 확인하였다.
3) 풀림 토크 (n = 5)
풀림 토크 시험 결과 시편 5개 모두 17.6
~21.0 N·cm의 범위의 최대 토크값과 평균 18.88 N·cm의 값을 나타냈다. 시험 결과 시편의 변
형이나 파절, 균열은 없었으며 시험기준인 15.4 N·cm 이상이어야 하는 조건을 만족했다. 풀림 토크시험 시, 대표 시편의 그래프는 그림 9과 같다.
4) 회전전단강도 (n = 5)
회전전단강도 시험 결과 평균 35.52 N·cm의 값을 나타냈며, 시편의 나사와 지대주가 파절되었다 (표 3). 시험 기준인 30 N·cm 이상이어야 하는 조건을 만족했으며, 회전전단강도 시험 시, 대표 시편의 그 래프는 그림 10과 같다.
Fig. 8. Adaptation accuracy (A-Top view, B-Enlarge view, C & D-Margin Opening)
Table 2. Results of removal torque force test
시편1 시편2 시편3 시편4 시편5 최대토크 (N·cm) 18.4 17.6 18.7 18.7 21.0
변형, 파절, 균열 없음 없음 없음 없음 없음
Fig. 9. Removal torque force test graph
Table 3. Results of torsional breaking force test 시편1 시편2 시편3 시편4 시편5 최대토크 (N) 38.7 34.9 38.5 34.1 31.4
파절양상 Abutment, Screw 파절
Fig. 10. Torsional breaking force test graph
고 찰
본 연구에서는 세라믹 재료의 기계적 성능을 확 인하기 위해 5가지 시험을 진행하였다. 단일 과부 하에 의한 파절을 의미하는 압축굽힘강도와 재질, 구조 및 상, 하부 구조물의 반복 하중에 의한 피로 파절을 의미하는 내구성한계를 확인하기 위해 30o 압축하중 시험과 전단피로도 시험을 진행하였다. 또 한 상, 하부 구조물인 지대주와 고정체의 체결에 대 한 가공 정밀도를 평가하는 회전유격 및 접촉간격 측정을 통해 정밀적합도를 평가하였으며, 상, 하부 구조물이 나사선으로 체결되는 임플란트의 나사선 고정 및 풀림에 대한 안정성을 평가하기 위한 풀림 토크 시험과 임플란트의 각 구조물 간의 체결 시 발생하는 압축력, 마찰력, 전단력 등 하중에 대한 구조물의 안정성을 평가하는 회전전단강도 시험을 진행하였다.
임플란트 시스템의 기계적인 문제들은 피로 또는 과부하에 의해 발생할 수 있으며, 파절은 주로 피 로에 의해 일어난다. 특히 피로에 취약한 고정체와 지대주의 연결부 디자인은 임플란트 수복의 성공에 주요한 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다 [5].
따라서 선택한 임플란트 시스템의 단기간 또는 장 기간 기능 중에 일어날 수 있는 기계적 실패의 가 능성을 예측하기 위해서는 30o 압축하중 측정 및 전단피로도 측정을 통한 기계적 특성 평가가 필요 하다고 보고되고 있다 [5].
일반적으로 임플란트 시스템의 기계적 강도는 부 품의 강도, 두께, 형상, 연결방식, 전하중, 적합도 등 에 영향을 받는다 [3]. 재질의 불균질 및 원자배열 의 흐트러짐 현상 때문에, 탄성한계 이하의 낮은 외 력이 반복적으로 작용하면 변형이 축적이 되어 재 질 변화가 일어나게 되고, 하중 반복회수가 계속되 면 파절이 일어나게 된다 [10]. 전단피로도 시험을 위해 시편에 적용한 5 × 106 cycle의 반복회수는 일 반적인 구강 내 1일 저작회수가 2000~2400 cycles 이라는 점을 감안할 때 약 5~6년에 해당하는 저작 회수를 의미한다 [10].
지대주 나사가 풀리는 현상은 임플란트 치료의 실패 원인 중 하나로써 선행 임상연구에서 빈번히 보고되고 있다 [11,12]. 나사 풀림의 주요한 두 가 지 요인은 나사 연결부에 가해지는 과도한 굽힘하 중과 접촉면에서의 침하현상에 따른 전하중의 상실 이다 [13]. Bickford [7]에 따르면 먼저 나사연결부 에 가해진 외부하중에 의해서 나사산 사이의 미세 한 미끌림을 일으켜 나사의 신장력을 감소시키고, 전하중이 임계점 이하로 감소되면 외부하중이나 진
동에너지가 접촉하고 있는 나사산의 회전을 야기하 여 나사 풀림이 일어난다고 설명하였다 [13]. 따라 서 전하중이 클수록 나사산 사이의 마찰력이 커지 고 전하중 상실로 인한 연결부가 이개되어 나사 풀 림뿐만 아니라 피로 파절에 대한 저항성이 높아진 다고 보고하였다 [13].
나사 풀림을 야기하는 또 하나의 기전은 접촉면 에서 일어나는 침하현상이다 [13]. 표면침하의 기전 은 가공된 금속 표면이 이상적으로 평탄하지 못하 다는 사실에 근거한다 [13]. 표면침하는 나사에 가 해진 조임회전력이나 기능하중에 의해 금속표면의 미세 거칠기가 평탄해지는 현상을 말하며, 이로 인 해 지대주와 고정체 사이의 거리가 가까워져 나사 의 인장력이 감소하게 되면 나사의 풀림이 일어난 다 [13].나사 풀림 현상은 나사 표면이 표면의 미 세 거칠기로 인해 나사 표면과 완전히 접촉할 수 없을 때 나타난다 [14].
기능 시 나사 연결부에 발생하는 응력은 조임 회 전력 외에도 보철물의 적합불량이나 저작기능 등에 의해 야기되는 하중들의 총합으로 볼 수 있다 [13].
전하중은 고정체와 지대주간에 유발된 압축력으로 서 나사 연결부의 안정성에 기여하지만, 부적절한 지대주 식립, 교합관계나 치관형태 등에 의한 과부 하와 보철물의 적합불량으로 인해 나사 연결부에 인장력을 유발하여 나사의 풀림이나 파절을 초래할 수 있다 [13]. 또한 단일 임플란트 보철물에서는 비 틀림 응력에 의한 나사 풀림이 발생할 가능성이 높 기 때문에 적정 전하중에 의한 마찰력의 증가가 매 우 중요하다 [13].
와셔가 치과 임플란트의 나사 풀림에 미치는 영 향에 대해 많은 연구가 진행되었다 [15,16]. 와셔의 공학적 원리는 두 계면을 보호하여 진동이 발생되 는 곳에 적용하게 된다 [17]. 즉 나사 측으로 직접 진동이 전달되지 않고 와셔의 탄성계수와 완충효과 (buffer effect)로 인해 진동을 감소시키게 되므로 나 사 풀림을 방지할 수 있다 [17]. 본 실험에서는 와 셔 하부에 파여진 홈에 의해서 나사와 지대주 사이 의 유착이 높은 것으로 사료된다.
결 론
본 연구에서는 와셔와 함께 나사로 고정한 세라 믹 지대주의 기계적 특성을 평가하기 위해 30° 압 축하중, 전단피로도, 정밀적합도, 풀림토크, 회전전 단강도 시험을 통해 제품 안정성을 확인하였으며, 세라믹 임플란트 상부구조물이 시판중인 티타늄 임 플란트 상부구조물을 대체할 수 있을 것으로 보인다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국산업기 술진흥원(KIAT)의 레이저 응용 의료기기/첨단소재 가공 산업기반 구축사업(과제번호: N0000598)의 지 원을 받아 수행되었음.
