새로운 의치용 임플란트 bar attachment의 유한요소분석

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2007년 8월 박사학위논문

Finite element analysis for new bar attachment of the implant supported overdenture

조선대학교 대학원

치 의 학 과

김 창 현

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Finite element analysis for new bar attachment of the implant supported overdenture

2007년 8월 일

치 의 학 과

김 창 현

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지도교수 강 동 완

이 논문을 치의학 박사학위신청 논문으로 제출함.

2007년 6월 일

치 의 학 과

김 창 현

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김창현의 박사학위논문을 인준함.

위원장 전 서울대학병원 임상 교수 윤 창 근 인 위 원 조선대학교 교수 정 재 헌 인 위 원 조선대학교 교수 김 수 관 인 위 원 조선대학교 교수 윤 정 훈 인 위 원 조선대학교 교수 강 동 완 인

2007 년 6월 일

조선대학교 대학원

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목 차

영 문 초 록 ……… v

Ⅰ.서 론 ……… 1

Ⅱ.연구재료 및 방법 ……… 4

Ⅲ.연구성적 ……… 8

Ⅳ.총괄 및 고안 ……… 15

Ⅴ.결 론 ……… 18

참 고 문 헌 ……… 19

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표 목 차

Table1.Materialpropertiesusedinthisstudy···6 Table2.Comparison ofVon-MisesStress(MPa)ofcase1andcase2ateach point···10 Table3.ComparisonofDisplacement(㎛)ofcase1andcase2ateachpoint···10 Table4.Comparison ofVon-MisesStress(MPa)ofcase3andcase4ateach point···10 Table5.ComparisonofDisplacement(㎛)ofcase3andcase4ateachpoint···10 Table6.ComparisonofMax.Stress(MPa)andDisplacement(㎛)ofeachcase17

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도 목 차

Fig.1.Model of bar attachment and implant fixture. ···4 Fig.2.ModelofFEM ···5 Fig.3.Schematicdrawingshowingappliedloadingdirectionandboundary

condition···7 Fig.4.Referencepointsofprincipalstress.···7 Fig.5.StressdistributionsforCase1···11 Fig.6.StresscurveforCase1···11 Fig.7.StressdistributionsforCase2···11 Fig.8.StresscurveforCase2···11 Fig.9.DisplacementdistributionsforCase1···12 Fig.10.DisplacementcurveforCase1···12 Fig.11.DisplacementdistributionsforCase2···12 Fig.12.DisplacementcurveforCase2···12 Fig.13.StressdistributionsforCase3···13 Fig.14.StresscurveforCase3···13 Fig.15.StressdistributionsforCase4···13 Fig.16.StresscurveforCase4···13 Fig.17.DisplacementdistributionsforCase3···14

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Fig.18.DisplacementcurveforCase3···14 Fig.19.DisplacementdistributionsforCase4···14 Fig.20.DisplacementcurveforCase4···14

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Abst r act

Fi ni t ee l e me ntanal ys i sf orne w ba rat t a c hme ntoft hei mpl a nt s uppor t e dove r de nt ur e

Kim Chang-Hyun,D.D.S.,M.S.D.,

Advisor:Prof.Kang Dong-Wan,D.D.S.,M.S.D.,Ph.D.

GraduateschoolofChosunUniversity

There are clinical limitations in conventional complete dentures for rehabilitation of oralfunction of the fully edentulous patients.Retention of complete denture tends to be reduced due to resorption ofresidualalveolar ridge,and also,masticatory efficacy becomesreduced in orderofdeficiency of retention and stability. For the ways to overcome these limitations, the implant-supported overdenture is favorable for improvement of esthetics by supporting softtissue,economical,simple,and easy formanaging oralhygiene and proved thatitisstableand effectivetreatmentprocedureon thebasisof resultsofmany clinicalstudies.Theattachmentused in theimplant-supported overdenture does major role for not only connecting implants to denture, retention and stability of denture,but also transfer of occlusalforce arised duringmasticationtoperipheralbonetissuethroughimplants.

Recently,the development of implants in the relation of overdentures has recently become prosperous.However,the biomechanic analysis is rare even thoughthevariabledesignsofimplantsforoverdentureshavebeenpresented.

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Purposeofthisstudy isto analyzebiomechanicphenomenon ofsurrounding bone by analyzing stress distribution and displacement distribution of finite elementmodelwith new barattachmentofimplant.The componentofforce applying on theimplantfixturewassetastheverticaland obliquedirections, andtheportionwhereloadwasappliedwasthecenterofbarandthepointof 4.8mm leftfrom the center.And 2-dimensionalfinite elementanalysis which wasarisedtotheportionofimplant-compactbone,andimplant-cancellousbone interfacewasoperatedandtheconclusionsfollowsas:

1.Regard to analyze the stress which was applied to the implantfixture for overdentures,morestressfulaspectisshownaccording toverticalforcethanto horizontalforce,and in comparison with asymmetricaladdition offorce,the stress tends to be better distributed to compact bone and cancellous bone duringbeingappliedinthecenterofbarattachment.

2.Asdesign ofimplant-supportedoverdenture,itisconsideredtobecontrolled thattheloadcouldbeappliedtothecenterofbarattachmentfordistributionof thestress.

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Ⅰ.서 론

완전 무치악 환자의 구강기능회복을 위해 일반적으로 사용되고 있는 총의치는 임상적인 한계점을 가지고 있다.잔존치조제의 심한 흡수로 인해 총의치의 유지력 이 감소되고 안정성이 부족하게 되어 결국 저작효율도 감소하게 된다.그리고,총 의치의 잦은 탈락이 환자에게 심리적인 불안감을 유발할 수도 있다¹^,²⁾.특히,하악 잔존치조골의 흡수가 상악과 비교해서 더욱 빠르고,하악의 지지면적이 더 적어서 무치악 환자들의 총의치 사용에는 많은 어려움이 있다^3-8⁾.

이러한 기존 총의치의 한계점을 극복할 수 있는 방법으로 Bränemark에 의해 소 개되고 연구되어온 골유착성 임플란트를 이용한 보철술식이 개발되어,완전 무치악 환자의 구강기능회복에 매우 성공적으로 사용되어지고 있다³^,^9-1⁶⁾.완전 무치악 환자 를 위한 임플란트 보철은 고정성인 fully bone anchored bridge와 가철성인 overdenture로 크게 분류할 수 있다.고정성 보철술식은 저작기능의 향상이나 의치 착탈의 불편감 제거,심리적인 안정감 등의 장점이 있지만,불충분한 연조직 지지, 고가의 치료비,구강위생관리의 어려움 등의 단점도 지적되어 왔다²^,⁶^,¹⁷^,¹⁸⁾.

반면에,가철성 임플란트 overdenture술식은 의치 착탈의 불편감이나 무치악부 위 잔존치조제 흡수를 보상하기 위한 의치 재이장의 필요성과 같은 단점들이 있지 만¹⁹^,²⁰⁾,연조직 지지를 통한 심미성 향상에 더욱 유리하고,경제적이며,술식이 단순 하고,구강위생관리가 용이하며다는 등의 장점이 있다²^,⁴^,¹⁶^,¹⁸^,¹⁹^,²¹⁾.실제로 무치악 기 능 회복에 이 술식의 사용이 점차 증가 되고 있으며,여러 임상적 연구 결과에서도 안정적이고 효과적인 치료 술식임이 입증되고 있다¹⁹^,²²^-2⁹⁾.

가철성 임플란트 overdenture의 경우,가급적이면 다수의 임플란트를 매식하여 유지,지지 및 안정을 얻는 방법이 좋지만 많은 환자에서 해부학적,경제적 문제 등으로 충분한 수의 임플란트를 매식할 수 없는 경우가 흔히 있다⁵^,³⁰⁾.그러므로 하 악 전방부는 좋은 골질,충분한 골양,해부학적 장애물이 없어서 이 부위에 매식한 두개의 임플란트를 이용한 overdenture로서도 임상적으로 만족할 만한 충분한 유지 와 안정을 얻을 수 있다⁴^,¹²^,¹⁷^,²⁴^,²⁷^,³²⁾.또한 보다 경제적이고,술식이 간단하여 이를 이용하는 술식이 하악 무치악 기능회복에 점차 선호되고 있는 추세이다¹⁴^,¹⁷⁾.

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이러한 가철성 임플란트 overdenture에 사용되는 attachment는,임플란트와 의치 를 연결하고,의치의 유지 및 안정뿐만 아니라 저작 기능시 생기는 교합력을 임플 란트를 통해 주위 골조직에 전달하는 중요한 역할을 하고 있다.두 개의 임플란트 를 이용하는 overdenture에 사용되는 attachment에는 임플란트 상호간의 splint효 과를 기대하는 barattachment,개개의 임플란트에 사용되는 solitary attachment, 그리고 임플란트를 bar로 연결하고 barcoping 원심에 ERA attachment나 O-Ring attachment를 부착시킨 combination barattachment등이 소개되어 임상에서 적용 되고 있다¹^9,³³⁾.

부적절한 attachment선택과 설계에 의하여 임플란트에 과도한 하중이나 회전력 이 가해지면 임플란트 지지골 흡수를 야기하거나³⁴⁾,임플란트 계면의 골유착에 손 상을 주어서 결과적으로 임플란트 상실을 초래할 수 있다³^5-3⁸⁾.따라서 임상가들은 바람직한 attachment선택과 설계에 더 많은 관심을 보이게 되었다²^9,³⁹⁾.

이상적인 attachment 선택의 기준으로, Burns등⁴⁷⁾은 환자가 유지력이 좋은 attachment를 선호한다고 하였으며 환자의 만족도를 위해서는 유지력의 조정이 아 주 중요하다고 하였다.Overdenture에 필요한 유지력의 양은 상호보완적인 것으로 적어도 의치상의 변위를 막을 수 있을 만큼은 되어야 하나 임플란트 주위조직에 해로운 영향을 주는 정도로 높아서는 안된다.자연치와 달리 임플란트 고정체는 보 철물에 의해 전달되는 응력의 양상이나 크기가 보다 복합적이고 다양하다.이러한 응력이 생리적 한계를 벗어나면 골의 미세파절이 일어나고 치유과정에서 연조직으 로 채워지게 되어 임플란트 실패의 한 요인이 되고 있다⁴⁸⁾.

의치용 임플란트에 사용되는 다양한 attachment에 대한 기존의 생체역학적 연구 를 살펴보면,barattachment의 사용이 임플란트의 응력분산에 유리하다는 주장이

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있는 반면에 하악골의 생리적 휨 현상을 방해하여 오히려 응력이 집중된다는 보 고도 있다¹⁸^,³⁵⁾.임상적 연구에서는 barattachment의 사용이 임상적으로 좋은 결과 를 보여 이것의 사용을 추천한 보고들도 있고⁴^,¹⁴^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²⁸^,⁴¹^,⁴²⁾,bar splint 여부나 attachment의 종류에 관계없이 좋은 결과를 얻었다는 보고 들도 있어서²⁵^,³²^,⁴³^-4⁵⁾ barsplint의 효과에 대한 연구의 필요성이 제기되어 왔었다¹²^,¹⁷⁾.

Jemt등²¹⁾은 barattachment의 문제점으로,상악에서 overdenture는 고정성 보철 물에 비해 성공률이 낮으며,가장 큰 문제는 클립이나 클립 주위 레진의 파절 혹은

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헐거움이라고 보고했다.Walton과 MacEntee⁴⁹⁾도 29명의 환자에서 4～39개월 동안 78%에서 overdenture의 수리와 유지를 필요로 했으며 42%에서 클립이 부러지거 나,없어지거나,헐거워지는 문제가 있다고 하였다.보통 의치상을 분리할 때 가장 큰 힘이 발생하며 환자들은 하루에도 여러번 장착과 철거를 반복해야 하므로 적절 한 유지력을 선택 조정하는 것이 임플란트 overdenture의 유지와 보존에 필수적이 다⁵⁰⁾.그리고,최근에는 단면 형태와 크기,클립의 수 등 다양한 barattachment가 시판되어 사용되고 있다.플라스틱 클립을 사용하는 barattachment는 값이 싸고 쉽게 교환이 가능하며 적절한 유지력을 가지고 있으나 유지력을 조절하기는 어렵 다⁴⁶⁾.반면에 금속 클립을 사용하면 bar가 마모될 위험성이 있고 bar의 단면이 훼 손되면서 회전력에 대한 응력 분산 효과가 감소되나 유지력의 조절이 가능해 오랜 기간 사용할 수 있다.

이처럼 다양한 형태의 barattachment가 개발되어 시판되고 있고,이들은 각각의 장단점을 가지고 있다.이는 치조골 흡수가 아주 심한 완전 무치악 환자들의 구강 기능 회복에 상당히 이상적인 치료 술식으로 인정받고 있다.하지만,의치용 임플 란트 barattachment의 다양한 디자인이 개발되어 제시되고 있는 최근의 현실과 달리,이에 대한 역학적 분석은 미비한 실정이다.본 연구에서는 새로 개발된 의치 용 임플란트의 barattachment를 유한요소 모델로 설계하여 bar에 수직 및 경사하 중을 가했을 경우 하악골에 발생하는 응력분포 및 변위분포를 분석함으로써 골 내 부에서의 임상적 역학성을 평가하고자 한다.

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I I .연구재료 및 방법

A.Barattachment의 설계 및 고정체 설계

본 연구에서 사용되는 모형은 임플란트 고정체,barattachment그리고 bar로 구 성 된다.고정체는 총 길이 14mm로 head부위는 1.50mm,몸통의 길이는 9mm 이다.barattachment의 경우,양측 고정체에 연결할 수 있도록 고정체의 head에 장착한 후 좌우 barattachment를 연결하는 12mm의 ring을 설계하였다.

Fig. 1. Model of bar attachment and implant fixture.

B.유한요소모델 제작

본 연구를 위한 유한요소모델에는 정중선을 중심으로 좌우 #31,#41 위치에 12 mm 길이의 barattachment를 부여한 것으로 가정하고 barattachment를 지지하는 임플란트의 고정체를 설계하였다.임플란트 고정체를 지지하는 치조골 부위의 외부 에 2 mm 두께의 치밀골을 설계하였다.치밀골 밀도를 13,000 MPa (Young's modulus),해면골 밀도를 9,500MPa(Young'smodulus)으로 가정하고 이에 대한 유한요소 모델을 제작하였다(Fig.1).해석에는 유한요소 상용 소프트웨어인 MSC NASTRAN 이 사용되었다.유한요소해석을 수행함에 있어서 3차원 모델보다 2차 원모델이 다양한 case의 모델을 구성하기 용이 하므로 2차원 모델로 해석을 수행 하였다.3차원모델을 2차원적으로 해석하기 위해서는 몇 가지 가정이 필요하다.모

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든 3차원 요소들은 평면변형(plan strain)상태로 가정하였고,하악골의 아래쪽이 완 전히 고정된 상태로 가정하였으며,정중선을 중심으로 윗 방향에서 축방향,경사방 향으로의 하중이 작용하고 있다고 가정 하였다.

유한요소모델은 요소의 크기와 수렴성을 고려하여 425,830개의 4-noded Tetragonal요소를 사용하였다.

Fig. 2. ModelofFEM

C.경계조건과 물성치 부여

응력을 분석하기 위하여 모델의 단순화와 응력의 수치적 계산을 위하여 모형의 물리적 특성은 재료의 기계적 특성이 균일 하다는 균질성(homogeneity),재료의 특 성은 3방향으로 동일하다는 등방성(isotropic),구조의 변형이나 변위는 적용된 힘에 비례하고 변위정도에는 무관하다는 선형탄성(linearelasticity)을 갖는 것으로 가정 하였다.

유한요소해석을 수행하는데 필요한 재료의 기계적 물성치인 탄성계수(Young's modulus:E)와 포와송 비(poisson'sratio:

ν

)는 Table1에 나타내었다.완료된 유한요소 전체모델은 형상이나 물성에 따라 각 요소별로 분할하였으며 수직방향과 경사방향의 하중이 각각 작용하여 현저한 응력이 예상되는 부분과 세밀한 관찰을 요하는 부분의 요소는 가급적 작게 분할하였고 분할된 각 요소와 절점에 고유번호 를 부여하였다.

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Material Property

Young's Modulus (MPa) Possion's tatio (

ν

)

Cortical bone 13,000 0.3

Cancellous bone 9,500 0.3

Titanium (Implant) 115,000 0.35

Table 1. Material properties used in this study

본 논문에 사용한 3차원 유한요소해석 프로그램은 MSC NASTRAN을 이용하여 해석과 후처리 과정 작업을 수행하였다.모든 모델은 동일한 물성치를 적용하였고, 그에 대해 각각 다른 경계조건을 적용하여 해석을 수행 하였으며 그 위치와 크기 는 Fig.3과 같다.

임플란트가 매식된 골이 어떠한 방향으로도 변위가 발생하지 않도록 골의 바깥 표면의 x,y,z세 방향을 구속 하였다.고정체와 골 사이의 계면은 골 유착 되었으 며,골 소실이 없는 것으로 가정하였다.

D.하중조건

하중조건으로는 수평성분 하중에 의해 발생하는 모멘트(moment)에 대한 영향을 수직하중에 의한 영향과의 비교를 위해 경사하중을 고려하였다.즉 임플란트 방향 에 수직으로 하중을 부여한 경우(Case1,Case3)와 임플란트 방향에 근원심으로 15°경사지게 하중을 부여한 경우(Case2,Case4)를 분류하여,상부에 의치가 설 계된 후 의치에 의해 치조골에 분산되는 힘 외에 barattachment에 부여되는 힘을 25N으로 가정하여 하중을 부여하였다.또한 중앙으로부터 좌측으로 4.8mm 떨어 진 부위에 각각 수직하중(Case3)과 경사하중(Case4)을 적용시켰다(Fig.3).

여기에서 얻어진 여러 가지 응력값들은 등가응력(vonMisesstress)을 취하여 각 모형에서 응력 분포도에 따라 응력분포 및 최대응력 집중부를 비교 분석하였다.응 력분석 부위는 유한요소모델상 임플란트와 골 경계면 그리고 치밀골과 해면골 경 계점을 중심으로 측정하였다(Fig.4).

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Case1 25N loadingonthecenterofbarvertically Case2 25N loadingonthecenterofbarobliquely15° Case3 25N loadingontheleftpositionofbarvertically Case4 25N loadingontheleftpositionofbarobliquely15°

Fig3.Schematicdrawingshowingappliedloadingdirection andboundarycondition

Fig 4. Reference points of principal stress.

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I I I .연구성적

응력해석 결과 중에서 임플란트와 골 경계면 그리고 치밀골과 해면골 경계점에 서의 Von-Mises응력에 대해 관심을 가지고 알아보았다.그 이유는 치밀골과 해면 골의 최대응력은 항상 대칭면,그 중에서도 임플란트와 골 경계면에서 발생하고, 다른 부위는 이보다 작은 값을 가지기 때문이다.

A.Barattachment중심에 하중 부여시 치조골상 응력분포(Case1& Case2) barattachment중앙에 25N의 하중이 가해질 때 중앙(참고점 9)에서의 응력값 은 수직하중을 가했을 때가 경사하중을 가했을 때 보다 높게 나타나고 있으며,좌 우측면(참고점 8,10)에서는 더 작게 나타나고 있다.또한 임플란트 고정체의 치밀 골을 중심으로 응력이 분산되는 양상을 나타냈다.치밀골과 해면골의 경계지점(참 고점 1,2,7,11,16,17)에서는 수직 하중시에 더 작은 값을 보여주고 있으며,해면 골 내부에서는 더 큰 응력값을 보여주고 있으며 임플란트 주위로 응력이 높게 나 타나고 있다.전체적인 응력분포는 하중 지점을 중심으로 대칭적인 응력분포를 보 여주고 있다(Table2).

B.Barattachment중심에 하중 부여시 치조골상 변위분포(Case1& Case2) 변위분포에서는 수직한 하중을 가했을 때(9.73㎛)가 경사방향 하중을 가했을 때 (10.20㎛)보다 전체적으로 변위가 낮게 나타나고 있으며,하중이 가해지는 중앙점 (참고점 9)에서 더 큰 변위를 보이는 반면 임플란트 좌우측면(참고점 8,10)에서는 더 작게 나타나고 있다.두 임플란트 안쪽지점(참고점 7,11)에서도 더 작은 값을 보여주고 있다.해면골 내부에서는 더 큰 변위를 보여주고 있으며 전체 변위분포는 하중 지점을 중심으로 대칭적인 변위분포를 보여주고 있다(Table3).

C.Barattachment좌측에 하중 부여시 치조골상 응력분포(Case3& Case4) 중앙으로부터 좌측으로 4.8mm 떨어진 부위에 각각 수직하중과 경사하중을 적용 하였을 때의 응력분포를 비교해보면,수직한 하중이 작용했을 때 임플란트 중앙(참 고점 9)에서의 stress는 경사하중을 가했을 때 보다 높게 나타나고 있으며,좌우측

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면(참고점 8,10)에서는 더 작게 나타나고 있다.또한 힘이 가해지는 부위 주위에는 중앙의 힘이 부여할 때와 달리 현저하게 감소하는 양상을 나타냈다.피질골과 해면 골의 경계지점(참고점 1,2,7,11,16,17)을 보면,하중이 바(bar)중심에서 좌측에 가해지고 있는데 좌측보다 우측에서 더 큰 응력값을 보여주고 있다.해면골 내부에 서는 더 큰 응력값을 보여주고 있으며 전체적으로는 좌측 임플란트 주위로 더 큰 응력분포를 보여주고 있다(Table4).

D.Barattachment좌측에 하중 부여시 치조골상 변위분포(Case3& Case4) 각각 수직하중과 경사하중을 적용하였을 때의 응력분포를 비교해보면,수직한 하 중이 작용했을 때(3.76㎛)가 경사방향 하중을 가했을 때(4.80㎛)보다 전체적으로 변위가 낮게 나타나고 있으며,수직하중이 가해지는 중앙점(참고점 9)에서 더 큰 변위를 보이는 반면 임플란트 좌우측면(참고점 8,10)에서는 더 작게 나타나고 있 다.두 임플란트 안쪽지점(참고점 7,11)에서도 더 작은 값을 보여주고 있다.피질 골 내부에서는 더 큰 변위를 보여주고 있으며 전체 변위분포는 좌측 임플란트 주 위로 더 큰 변위분포를 보여주고 있다(Table5).

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Reference

Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Case 1 2.15 1.25 0.55 0.29 1.10 0.16 3.54 45.57 68.79 45.57 3.53 1.10 0.56 0.29 0.55 1.25 2.15 Case 2 2.60 1.40 0.52 0.26 1.00 0.15 4.07 57.87 66.83 57.87 4.07 1.00 0.52 0.26 0.52 1.40 2.60

Table 2. Comparison of Von-Mises Stress(MPa) of case 1 and case 2 at each point

Reference

Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Case 1 0.095 0.21 0.11 0.07 0.2 0.11 0.39 1.1 8.8 1.1 0.39 0.2 0.11 0.07 0.11 0.21 0.095 Case 2 0.088 0.19 0.094 0.059 0.19 0.093 0.4 1.3 8.7 1.3 0.4 0.19 0.094 0.059 0.094 0.19 0.088

Table 3. Comparison of Displacement(㎛) of case 1 and case 2 at each point

Reference

Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Case 1 3.62 2.03 0.94 0.47 1.97 0.29 6.60 64.15 14.41 13.45 0.71 0.11 0.15 0.10 0.15 0.86 0.94 Case 2 4.22 2.22 0.89 0.43 1.82 0.28 7.19 77.46 14.10 27.46 0.87 0.17 0.13 0.08 0.13 0.85 0.86

Table 4. Comparison of Von-Mises Stress(MPa) of case 3 and case 4 at each point

Reference

Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Case 1 0.1 0.33 0.17 0.11 0.33 0.16 0.7 1.7 3.5 0.2 0.11 0.07 0.05 0.036 0.05 0.093 0.16 Case 2 0.18 0.29 0.15 0.091 0.31 0.15 0.7 1.3 3.3 0.37 0.13 0.062 0.041 0.03 0.041 0.081 0.15

Table 5. Comparison of Displacement(㎛) of case 3 and case 4 at each point

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Fig. 5. Stress distributions for Case 1 Fig. 6. Stress curve for Case 1

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Fig. 9. Displacement distributions for Case 1 Fig. 10. Displacement curve for Case 1

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I V.총괄 및 고안

치과 임플란트는 골과 임플란트의 고정체 간의 양호한 계면과 임플란트 주위의 건강한 골질의 보존에 의존한다.골유착 후 전달된 응력에 대해 골이 저항할 수 있 는 한계를 초과하는 경우 미세운동이 발생하여 미세파괴,흡수성 재형성 및 기계적 실패를 유발할 수 있기 때문에⁵¹^-54)임플란트에 부여된 하중을 고정체-골 계면체에 분산하는 것은 임상적으로 중요하다⁵⁵^-58).따라서 임플란트의 성공과 실패를 결정하 는 필수적인 단계로 골-임플란트 계면에 발생하는 응력의 양상을 이해하는 것이 필요하다⁵^7,⁵⁸⁾.그리고,치과 임플란트가 건강한 골질을 보존하기 위해서는 골밀도를 유지하는데 필요한 골재형성의 적정 수준의 유지와 골의 미세파절 방지가 필요하 며 이 두 과정은 골에 있어서 stress와 strain의 분포에 의해 지배된다고 하였다

55,59)

.이러한 양상을 분석하는 방법의 하나인 유한요소 분석법은 임플란트 성공에 있어 임상적인 요소의 효과뿐만 아니라 다양한 치과 임플란트 형태의 생역학적 기능을 예측하기 위해 사용되어왔다.임플란트에서 골로의 하중 전이에 영향을 미 치는 요소는 하중의 종류,임플란트의 길이,면적,모양,표면구조,골-임플란트 계 면의 성질,임플란트와 보철물 물질 특성 등이 포함된다.

본 연구에서는 임플란트의 고정체를 지지하는 치조골 내부의 해면골 밀도가 동 일한 조건에서 새로 개발한 의치용 임플란트 barattachment에 작용하는 하중을 수직한 방향과 경사진 방향의 하중이 옮겨가면서 작용하였을 때 발생하는 응력은 하중의 작용위치에 따라 응력분포가 달라지고 있었다.

Case1과 Case2를 비교하면,전체형상에서 최대 stress는 Case2에서 21MPa 더 높게 나타나고 있고,피질골은 Case1에서 0.12 MPa 더 높게 나타나고 있다.

반면에 해면골에서는 Case2에서 0.56MPa더 높게 나타나고 있다.전체형상에서 최대 변위는 Case2에서 0.47㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있고 피질골에서는 stress 와는 달리 Case2에서 0.084㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있다.해면골에서는 stress 와 마찬가지로 Case2에서 0.07㎛ 더 큰 변위를 나타내고 있다.

Case3과 Case4를 비교하면,전체형상에서 최대 stress는 Case3에서 49.6MPa 더 높게 나타나고 있고,피질골은 Csae3에서 0.12Mpa더 높게 나타나고 있다.반 면에 해면골에서는 Case4에서 0.69MPa더 높게 나타나고 있다.전체형상에서 최

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대 변위는 Case4에서 1.04㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있고,피질골에서는 stress와 는 달리 Case4에서 0.114㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있다.해면골에서는 stress와 마찬가지로 Case4에서 0.014㎛ 더 큰 변위를 나타내고 있다.

Case1과 Case3를 비교하면,전체형상에서 최대 stress는 Case1에서 46.6MPa 더 높게 나타나고 있고,피질골은 Case3에서 5.2MPa더 높게 나타나고 있다.반 면에 해면골에서는 Case3에서 2.28MPa더 높게 나타나고 있다.전체형상에서 최 대 변위는 Case1에서 5.97㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있고 피질골에서는 stress와 같이 Case3에서 0.306㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있다.해면골에서도 stress와 마 찬가지로 Case3에서 0.128㎛ 더 큰 변위를 나타내고 있다.

Case2와 Case4를 비교하면,전체형상에서 최대 stress는 Case2에서 18MPa 더 높게 나타나고 있고,피질골은 Case4에서 5.02Mpa더 높게 나타나고 있다.반 면에 해면골에서는 Case4에서 2.41MPa더 높게 나타나고 있다.전체형상에서 최 대 변위는 Case2에서 5.4㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있고 피질골에서는 stress와 같이 Case4에서 0.336㎛ 더 큰 변위를 보여주고 있다.해면골에서도 stress와 마 찬가지로 Case4에서 0.135㎛ 더 큰 변위를 나타내고 있다.

본 연구를 통해서 수직하중이 가해질 때에 비해,경사하중이 가해질 때 전체 형상 과 해면골에 가해지는 응력이 증가하고,변위량도 증가함을 알 수 있었고,bar의 중심에 하중이 가해질 때,응력분포 양상이 전체적으로 고르게 분산됨을 알게 되었 다.따라서,barattachment의 설계시 임상적으로 하중이 bar의 중앙부위에 수직적 으로 가해질 수 있도록 계획되어야한다.

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Loading Parts

Max. Stress (Mpa)

Max.

Displacement (㎛) Case 1

(Center & vertical)

All model 127 9.73 Cortical Bone 7.4 0.396 Cancellous bone 2.63 0.214

Case 2 (Center & oblique)

All model 148 10.2 Cortical Bone 7.28 0.48 Cancellous bone 3.19 0.221 Case 3

(Mesial & vertical)

All model 80.4 3.76 Cortical Bone 12.6 0.702 Cancellous bone 4.91 0.342

Case 4 (Mesial & oblique)

All model 130 4.8 Cortical Bone 12.3 0.816 Cancellous bone 5.6 0.356 Table 6. Comparison of Max. Stress and Displacement(mm) of each case

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V.결 론

새로운 의치용 임플란트 barattachment에 작용하는 힘의 성분을 수직 방향과 경사진 방향으로 다르게 하고,하중이 가해지는 위치를 좌측으로 4.8mm 떨어진 위 치와 중앙으로 작용시켜 임플란트와 치밀골,해면골의 경계면을 중심으로 발생하는 응력을 유한요소분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1.의치용 임플란트 고정체에 관여되는 힘을 분석하여 볼 때 수평적 힘보다는 수직 적 힘에 대해서 더 적은 응력 양상을 보이고 있으며 힘이 중앙에 부여되는 경우가 힘이 한쪽으로 기울어진 경우에 비교하여 치밀골과 해면골에 응력이 전체적으로 분산되는 양상을 나타낸다.

2.임플란트 유지형 의치를 설계하는 경우 힘에 분산관점에서 barattachment중심 에 수직으로 힘이 부여될 수 있도록 조절해야 할 것으로 사료된다.

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