지르코니아 임플란트 지대주와 티타늄 임플란트 지대주의 삼차원적 유한요소응력분석 document_id A220517036850

최근 심미 보철을 위해 높은 강도와 정밀도를 가지면서 동시에 자연치와 유사한 상아질 색을 구현할 수 있는 세라믹 계열의 지르코니아 임플란트 지대주가 보철 재료로서 각광을 받고 있다. 이에 본 연구에서는 삼차원적 유한요소응력분석을 이용하여 기존의 티타늄 소재의 임플란트 지대주와 지르코니아 소재의 임플란트 지대주의 응력분포비교를 통해 지르코니아 임플란트 지대주의 기계적 안정성을 간접적으로 확인하고자 하였다. 악골에 식립된 internal conical joint type과 external butt joint type의 임플란트 매식체에 티타늄 임플란트 지대주 또는 지르코니아 임플란트 지대주를 지대주 나사로 연결하고 상부에 금합금관을 장착하는 유한요소모형을 설계하였다. 교합면 중심으로부터 3mm 편측에 수직 방향으로 250N의 하중을 인가하여 교합력에 의해 임플란트 지대주에서 발생하는 등가응력분포를 분석하였다. 유한요소분석결과 지르코니아 임플란트 지대주와 티타늄 임플란트 지대주의 응력 분포는 유사하게 관찰되었으나 최대등가응력은 임플란트 연결 방식에 상관없이 티타늄 임플란트 지대주에 비해 지르코니아 임플란트 지대주가 약 15% 정도 높게 나타났다. 그럼에도 불구하고 티타늄에 비해 지르코니아의 더 높은 기계적 강도를 고려해 볼 때 임상에서도 기존의 티타늄 임플란트 지대주와 마찬가지로 지르코니아 임플란트 지대주도 임상적인 기계적 안정성을 가질 것으로 생각된다. 지르코니아 임플란트 지대주로는 3가지 동소체의 다형재인 지르코니아에 소량의 금속 산화물을 첨가하여 상을 안정화하고 입자의 크기를 나노 수준으로 작게 제작하여 강화시킨 yittria stabilized zirconium oxide가 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 지르코니아 임플란트 지대주의 기계적 강도를 간접적으로 알아보고자, 삼차원적 유한요소분석법을 이용하여 동일한 임플란트 지대주 모형에 티타늄과 지르코니아의 재료에 대한 기계적 특성만 다르게 적용하여 등가응력분포를 비교하였다. 실제 제조사에는 각각의 임플란트 지대주 제품의 형상이 다를수 있기 때문에 디자인의 특성이 포함될 수밖에 없다. 본 연구에서는 형상 변수를 제외하고 순수한 재료적인 특성만을 고려하기 위해 동일한 임플란트 지대주 모델을 적용하였다. 일반적으로 임플란트 시스템의 기계적 강도는 부품의 강도, 두께, 형상, 연결 방식, 전하 중, 적합도 등에 영향을 받는다. 본 연구 결과 티타늄 임플란트 지대주와 지르코니아 임플란트 지대주의 응력 분포는 유사하게 관찰되었다. 그러나 티타늄 임플란트 지대주에 비해 지르코니아 임플란트 지대주가 최대등가응력이 높게 나타났다. 이는 티타늄보다 지르코니아의 탄성 계수가두 배 가까이 높기 때문에 티타늄-티타늄에 비해 티타늄-지르코니아에서 두 구성 요성간의 물성차이로 인한 응력 집중이 크게 일어났기 때문으로 생각할 수 있다. 비록 지르코니아 임플란트 지대주와 매식체 연결부위에서 상대적으로 최대등가응력이 약 15% 증가하였으나 지르코니아 임플란트 지대주는 재료의 파손강도가 티타늄에 비해 두 배 이상 크므로 응력의 크기와 기계적 강도를 함께 고려해보면 티타늄 임플란트 지대주에 비해 지르코니아 임플란트 지대주가 더 큰기계적 실패를 야기하지는 않을 것이다. 지르코니아 임플란트 지대주를 이용한 임상 연구에서도 Glauser 등은 단일 치아 수복에서 평균 49.2개월간 지대주의 파절이 없었으며, Yildirim 등은전부 도재관으로 수복한 증례가 5년 이상 지대주의 파절 없이 사용함을 보고한 바 있다. 비록교합력에 개인차가 크고 보고된 교합력이 다소 저평가된 면이 있으며, 임상연구 또한 소수이고 장기적인 결과는 아니지만, 이러한 보고들은 지르코니아 임플란트 지대주가 장기간 기능할 수 있는 충분한 기계적 강도를 갖고 있음을 시사하고 있다. 그럼에도 불구하고 티타늄 임플란트 지대주에 비해 지르코니아 임플란트 지대주는 임상적으로 파절이 보다 빈번히 일어난다. 지르코니아 임플란트 지대주는 제조 과정에서 흠이 생기거나 두께가 얇아지는 부위가 발생 할 수 있고, 열처리 또는 도재축성 과정은 파절저항성을 저하시킬 수 있다. 균열의 개시는 낮은 부하에서 시작될 수 있으며 최종적으로 파절강도에 영향을 미치기 때문에 지대주의 제조과정이나 보철물 제작을 위한 절삭, 연마 과정에서균열의 시작점이 되는 흠이나 결함이 발생하지 않도록 주의를 기울여야 한다. 다른 금속에 비해높은 탄성율과 굴곡 강도를 지니고 있음에도 불구하고 지르코니아 지대주에서 임상적으로 파절이 빈번히 일어나는 이유는 취성을 띠는 지르코니아 재료의 특성 때문이다. 지르코니아가 지니고 있는 취성으로 인해 지르코니아의 두께가 너무 얇아지게 되면 임상적으로 사용하기가 어렵다. 이로 인해 고정성 보철물의 경우 지르코니아의 파절을 막기 위해 두께가 최소한 0.5 0.7mm가 되어야 하고 높은 응력이 가해지는 부위에서는 두께를 증가시켜야 한다. 따라서 지르코니아 임플란트 지대주에서는 얇은 두께로 인해 발생할 수 있는 파절을 예방하기 위해 지대주 설계에도 주의를 기울어야 할 것이다. 지르코니아는 온도에 따라 단사정, 정방형, 입방형 3가지 다른 결정 상태를 지니게 된다. 실온에서 지르코니아는 단사정의 결정 상태이고,1070℃ 이상에서는 단사정에서 정방형으로 상전이가 일어나서 1170 2370℃에서 안정화 된다. 입방형의 결정 상태는 매우 높은 온도에서 나타난다. 지르코니아는 yttria, magnesia, ceria 등의 안정제를 첨가함으로써 실온에서 정방형의 결정상을 유지할 수 있다. 정방형에서 단사정으로의 상전이는 마모나, 가공 과정에 의한 응력이나 수분에 의해 유발될 수 있다. 정방형에서 단사정으로의 상전이는 3 4%의 부피 팽창이 발생한다. 파절의 전파는 부피 팽창에 의해 방지된다. 이러한 상전이 강화 현상으로 인해 지르코니아는 높은 강도와 파절 저항성을 지니게 된다. 지르코니아의 이러한 기계적 특징에도 불구하고 지르코니아의 수명 감소에 대한 보고가 계속되고 있다. 이전의 연구에서는 저온열화 현상은 지르코니아의 굴곡 강도 감소에 영향을 미치지 않는다고 하였다. 그러나 Kobayashi 등은 150 400℃에서 일어나는 지르코니아의 degeneration에 대해 발견하였다. 100 300℃의 온도에 장시간노출 시 정방형의 결정상이 단사정으로 상전이 되는 저온열화 현상으로 강도가 급격히 저하될 수 있으며, 수분이 있거나 외력이 가해질 경우 이러한 현상은 가속화 된다. 제품에 따라 복합체를 개발하거나 입자의 크기를 미세화 시켜 이러한 문제점을 보완하고자 노력하고 있으나 지르코니아 지대주의 aging에 대한 평가는 부족한 실정이다. 일반적으로 티타늄 임플란트 지대주는 external butt joint type보다 internal conical jointtype에서 기계적 안정성이 더 우수한 것으로 보고되고 있다. 전자는 지대주 나사의 전하중이 연결부 안정성의 주요소인데 비해, 후자의 more taper 구조는 나사 신장과 쐐기 효과에 의한 전하중을 동시에 얻을 뿐 아니라 경사진 연결부가 굽힘 하중에 저항하기 때문에 구조적으로 더 안정화되어 있다. 본 연구에서는 티타늄 임플란트 지대주에 비해 지르코니아 임플란트 지대주에서 임플란트 연결방식에 따른 최대 등가 응력값이 유사하게 관찰되었다. 비록 제한적이지만 이러한 결과로부터 internal conical joint type이 구조적인 연결부 안정성으로 인해 지대주 나사의 풀림이 external butt joint type에 비해 적을 수 있으나 니르코니아 지대주의 파절 강도 측면에서는 두 연결 방식 모두 유사할 것으로 예측할 수 있을 것이다.