단일치 임플란트에서 고정체와 지대주 직경의 차이에 따른 광탄성 응력 분석

이 연구의 목적은 임플란트 고정체와 지대주간의 직경 차이가 임플란트 지지조직에 발생하는 응력에 미치는 영향을 평가 하는 것이다. 본 연구에는 세 가지 직경의 3i 임플란트 고정체에 지대주의 직경을 달리하여 수복하고, 하중 조건에 따라 임플란트 지지조직에 발생한 응력의 정도와 분포를 광탄성 응력 분석법을 이용하여 비교, 분석하였다. 연구결과 고정체의 직경이 증가할수록, 상부 보철물에 가해지는 하중에 대하여 고정체 변연부의 응력집중이 높게 나타났으며, 상부 보철물의 근원심 폭경을 증가시키는 것이나, 임플란트 고정체의 직경에 비해 작은 지대주를 사용하는 것은 고정체 주위의 응력양상에 영향을 주지 않았다. 치과용 임플란트의 임상적 성공은 주변 치조골이나 연조직의 건강에 따라 크게 좌우된다. 성공적으로 골유착된 임플란트에서 고정체와 주위조직 간의 초기 파괴는 치조정에서 시작된다. 치조정 부위는 임플란트 상부의 보철물로부터 오는 하중이 맨 처음 골 조직으로 전달되는 부위이며 그 형태적인 특성에 의해 높은 응력집중이 생기는 부위이다. 그러므로 보철물 장착 후 임플란트 주변에 발생하는 치조정골 높이의 변화는장기간 임플란트 성공을 평가하는 기준으로 사용되어 왔다. 오 등은 임플란트로 수복 후 일년 내에 발생하는 초기 치조정골의 흡수 원인에 대하여 수술 시의 외상, 과도한 교합력, 임플란트 주위 치주염, 지대주와 임플란트 사이의 미세틈새, 생물학적 폭경, 치조정 모듈 등이 있다고 하였다. Misch는 보철물장착 후 발생하는 치조정골의 초기 상실은 과도한 교합력이 원인이라고 하였다. 치과용 임플란트의 재료인 티타늄의 탄성계수는 피질골보다 5 10배 더 크다. 두 개의 서로 다른 탄성계수를 가진 물체가 접해있을 때, 응력은 그 두 물체의 계면에 집중된다. 임플란트에 작용하는 교합력은 치조정 부위에 응력을 집중시키는 요인이 되며, 결과적으로 치조정골의 상실을 가져올 수 있다고 하였다. Berglundh 등은 동물 실험에서지대주 연결 후 2주 내에 임플란트와 지대주의계면 하방으로 0.5 ㎜의 골 소실을 관찰했고, Lindhe 등은 임플란트 지대주의 계면 상부와 하부에 0.5 ㎜의 염증성 결합조직을 보고했다. 따라서 Wallace 등은 임플란트에서도 생물학적 폭경이 존재하며 조기 골 상실에 관여할 수있다고 하였다. 임플란트 보철수복 후에 일 년 동안 나타나는 치조정골 높이의 변화는 대부분 장기간의 임플란트 성공에 부정적인 영향을 주지 않으며, 오히려 초기에 발생된 치조정골의 흡수는 이 부위에 높은 응력상태에 대응하는 생체의 효과적인 적응기전으로 보기도 하였다. 정 등과 Kitamura 등은 각각 2차원 유한요소모델과 3차원 유한요소모델의 분석을 통해 임상에서 자주 관찰되는 치조정에서의 접시 형상의 골 흡수가 임플란트 주위 조직의 변연부에 가해지는 응력을 감소시키는 효과가 있음을 보고하였다. 넓은 직경의 임플란트는 골질이나 양이 부족해 충분한 길이의 고정체를 매식할 수 없는 경우, 임플란트의 유착 실패나 파절이 발생한 경우에 주로 사용되어 왔다. 3i 임플란트 시스템은 넓은 직경의 고정체에서도 지대주 나사의 크기와외부 육각구조가 같아 표준형 지대주를 사용할수 있다. 만약 platform switching 기법을 사용한다면, 직경 5.0 ㎜ 고정체에서는 표준형 지대주와 0.45 ㎜의 직경차가 나타났으며, 6.0 ㎜ 고정체에서는 표준형 지대주와 0.95 ㎜의 직경차이가발생되었다. Lazzara 등은 넓은 직경 임플란트를 사용함으로써 발생한 0.45 ㎜와 0.95 ㎜의수평적 직경 변화를 가진 임플란트 수복물에서 치조정 높이의 수직적 골상실이 나타나지 않음을 장기간의 방사선 검사를 통해 보고하였다. 임플란트 수복 시에 발생하는 초기 골 상실에 대해서 Gardner 등은 고정체의 직경보다 작은 직경의 지대주를 사용하는 platform switching을 통해, 임플란트와 지대주의 계면의 수평적 위치를 변경하여, 지대주 연결 후 발생하는 골 흡수의 수평적 요소를 감소시킴으로써 치조정 골 높이의상실로 이어지는 보철 후 생물학적 과정의 결과를 변화시키고, 치조골을 보호할 수 있다고 하였다. 치조정골의 보존은 심미적인 수복이 요구되는 부위나 골증대술이 시행된 부위에서 좀 더 예지성 있는 결과를 얻을 수 있다고 하였다. 본 연구에서는 일반적으로 보철 수복을 할 때 사용되고 있는 고정체의 직경과 지대주의 직경이 동일한 수복 방법에 비하여 고정체의 직경과지대주의 직경 차이가 있는 경우, 임플란트 주위지지골에서 응력양상이 어떠한 차이가 있는지를광탄성 모형을 통해서 분석하였다. 임플란트 지지골에 발생하는 응력에 대한 분석 방법에는 유한 요소 분석법, 광탄성 응력분석법등이 주로 사용된다. 유한 요소 분석법은 물체를 유한크기의 요소로 분할하여 모형을 수치화한 후 물리적 성질 및 하중 조건을 설정하여 컴퓨터로 해석하는 방법으로 다양한 하중 부여가 용이하고 응력의 분포, 응력의 크기와 방향 그리고 변위를 분석할 수 있으나, 유한 요소 모델 제작 시 치조골이나 보철물 구조가 단순화된 모델이 사용되며 모델의 물리적 특성을 균질성, 등방성, 선형탄성 등으로 가정함으로써 실제 임상적 상황을 재현하는 데는 다소의 오차가 발생할 수 있다. 광탄성 응력 분석은 임상에서 사용되는 임플란트 고정체와 상부구조물을 실험에 직접 사용할 수 있기 때문에 임플란트 고정체나 상부 구조물이 갖고 있는 기하학적 형태나 물리적, 기계적 성질을 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다. 광탄성 응력 분석법은 임플란트 주위 지지골 내에생기는 응력집중의 양과 위치를 평가하는 것이 용이하며, 시편 전체의 응력분포 상태를 가시적으로 관찰할 수 있어, 임플란트 주위에 발생하는 다양한 생역학적인 양상을 예견하는데 성공적으로 사용되어지고 있다. 그러나 광탄성 모형으로는 생체와 같은 피질골과 해면골의 형태를 재현할 수 없고, 임플란트 고정체와 임플란트 주위지지 조직 간의 유착조건과 상부 구조물에 가해지는 하중 조건이 실제적인 상황과는 많은 차이가 있으므로, 이러한 응력 분석은 실험 모델 간에 비교와 응력분포의 경향을 파악하는데 제한적이라고 생각된다. 물체가 하중을 받으면, 그 내부에는 응력이 발생하는데, 이는 각각의 분자들의 상대적 위치 변화에 관계된다. 투과성이 있는 물체의 경우에는 분자 배열의 변화가 굴절율의 차를 일으키게 되고 복굴절이 생기게 되며, 이런 현상을 광탄성이라 한다. 편광된 빛이 하중을 받는 투명한 물체를 지나면, 편광된 두 가지 선형의 직교하는 빛은 주응력 차에 의하여 굴절율에 차이가 나타난다. 검광기를 통하여 투과된 빛을 보면 굴절율 차에 따라서 투과된 빛의 색깔이 다르게 나타나며, 각각의 무늬차수를 나타내게 된다. 하중이 가해지면 black, gray, white, pale yellow, orange, dull red, purple, green 순으로 점차 높은 무늬차수가 발생하는데, 이러한 현상을 관찰하여 임플란트 주위에 발생하는 응력의 양상을 분석할 수 있다. 본 실험에서는 하악의 무치악 부위를 모사하여 견치 후방에 세 개의 임플란트가 식립된 모형을 제작하였는데, 이는 하중이 가해졌을 때 인접한 임플란트나 치아에 의한 응력의 양상을 구강내와 유사하게 재현하고자 하였으나, 인접 구조물에 의한 영향을 받아 임플란트 주위의 무늬가 광범위하게 분포되고, 자연치아를 모사한 부위의 표면에서 무늬차수의 변화가 발생하여 분석을 어려움이 있었다. Cehreli 등은 임플란트의 디자인에 따라 발생하는 응력 양상을 평가하기위해, 각각의 임플란트에 광탄성 모형을 제작하여 응력을 평가하였다. 이와 같이 실험 모형을 단순화 하여 단일 모형을 제작하는 것이 응력의 양상을 평가하기에는 더욱 효과적인 방법이라고 생각된다. 치아와 임플란트에 자연적으로 작용하는 가장 큰 힘은 저작 시 발생된다. 이 힘은 구치부에서 교합평면에 대해 수직으로 작용하고, 짧은 지속시간을 갖는다. 그리고 그 범위는 자연치에 대해서는 치아 당 5 44 psi 이다. 최대교합력은 개인에 따라 혹은 저작 양상에 따라 다르고, 치열의 상태와 저작근에 의해 영향을 받는다. 최근연구에서는 치아와 임플란트에 작용하는 정상적최대 수직 교합력은 45 550 lb 까지 보고되었다. 본 실험에서는 최대 수직 교합력이 아닌구강 내에서 일반적으로 나타나는 하중을 부여하였다. 임플란트의 상부 보철물에 중앙과 근원심에 각각 15 lb와 30 lb의 하중을 가하였다. 15lb일 때도 임플란트의 지지 부위에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있으나, 30 lb에서 나타나는 변화보다는 응력변화가 작았다. 본 실험에서는 임플란트 고정체의 직경이 증가할수록 하중에 대해서 고정체의 변연부에 응력집중이 낮게 나타났는데, 이는 권 등의 연구에서와 같은 결과이다. 정 등은 지대주의 직경을 고정체 직경보다 작은 것을 사용하면 임플란트 주위 지지 부위에는 응력이 감소한다고 하였으나, 본 연구에서는 고정체와 지대주의 직경 차이가 임플란트 주위 지지 부위에 발생하는 응력에 큰 차이를 나타내지 않았다. 본 연구에서는 Wheeler의 해부학적 형태를 참고하여 하악제1소구치의 치관높이인 8.5 ㎜로 임플란트의 상부보철물을 제작하였다. 그러나 임플란트 수복 시에는 치아가 발거된 후 치조골 흡수가 발생하여 실제 해부학적 치관보다 길어지게 되는 경우가많으며, 치관의 폭도 7 ㎜, 8 ㎜, 9 ㎜로 제작하여 치관의 폭에 따른 영향도 평가하였으나, 임상에서 임플란트 수복 시에 근원심으로 치관의 폭이 더 큰 경우도 발생한다. 그러므로 임상에서 발생할 수 있는 불리한 조건에서의 응력 양상과, 외측연결시스템에서 가장 취약한 것으로 알려진 지대주 나사의 풀림, 파절과 같은 임상적인 문제의 발생에 대해서도 계속적인 연구가 요구된다고 생각한다. 본 연구는 임플란트 고정체와 지대주간의 직경 차이가 임플란트 지지 조직에 발생하는 응력에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 세가지 직경의 3i 임플란트 고정체에 지대주의 직경을 달리하여 수복하고, 임플란트 지지조직에 발생한 응력의 정도와 분포를 광탄성 응력 분석법으로 관찰 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 임플란트 고정체의 직경이 증가할수록 금관에 가해지는 하중에 대한 고정체 변연부의 응력집중이 낮게 나타났다. 임플란트 상부 보철물에 근원심 폭경의 증가는 고정체 주위의 응력양상에 크게 영향을 주지 않았다. 임플란트 고정체 직경보다 작은 직경의 지대주의 사용은 고정체 주위의 응력양상에 영향을 주지 않았다. 이상의 결과에서 임플란트 수복시 고정체의 직경보다 작은 지대주를 사용하는것은 임플란트 주위 지지골에 생역학적으로 불리한 영향을 주지 않는 것으로 연구되었다.