완충고정술을 이용한 치아 임플란트의 설계에 관한 연구

Abstract

현재 대부분의 치아 임플란트에서 나사형태의 임플란트가 사용되고 있다. 그러나 이러한 나사형의 임플란트는 뼈와의 계면의 형상 때문에 치아에 고정될 때 임플란트가 받는 하중을 근처의 뼈에 골고루 전달하지 못하고 응력 집중이나 차단이 생기는 부분이 발생하게 된다. 이로 인해 임플란트 주위의 뼈가 골고루 자라지 못하는 문제가 생길 수 있고 이는 임플란트의 실패와 연결된다. 이에 우리는 완충고정술을 치아임플란트에 응용을 해 보았다. 완충고정식 임플란트는 뼈와 임플란트의 계면에서 상대움직임이 발생하지 않으며 응력을 고르게 분포시켜 골유착이 잘 될 수 있는 구조로 설계하였다. 임플란트는 테이퍼(taper) 형태의 원통형으로 생겼으며 임플란트와 뼈 사이에 테이퍼진 원통형의 완충재가 끼어들어간 형상이 된다. 완충재는 임플란트에서 오는 하중을 잘 전달해야 하며 충격에 깨지지 않고 잘 견뎌야 하므로 임플란트와 같은 재질인 티타늄을 사용한다. 완충재가 효과가 있기 위해서는 임플란트와 완충재 사이에서의 마찰력이 완충재와 뼈 사이에서의 마찰력보다 작아야 하며 이럴 경우 뼈와 완충재 사이는 움직임이 없고 하중만 전달이 되게 되어 골유착이 잘 이루어질 수 있다. 이 경우 완충재가 hoop stress를 받을 시에 지름방향으로 늘어나야 하는데 티타늄의 경우 강성이 강하기 때문에 이를 줄여줄 필요가 있다. 우리는 수학적 계산을 통해 완충재의 강성을 1/4정도로 낮춰야 함을 밝혔으며 perforated 형상을 통해 빈 공간을 50%정도 만들어주면 이를 만족 할 수 있음을 간단한 FE model로 확인하였다. 완충재 표면의 Perforated 형상이 골분화를 더 잘 일으키는 지 알아보기 위해 세포 실험을 수행하였다. Perforated plate의 위에서 3주 동안 stem cell을 키우는 실험을 진행하여 골분화 정도를 측정하였다. 측정 결과 일반적인 평평한 plate에서보다 perforated plate 위에서 골분화가 더 잘 됨을 확인하였다. 설계된 완충고정 임플란트가 본 연구에서 목표한 바를 만족하는지 알아보기 위해 FEM simulation을 수행하였다. 수행 결과 뼈-완충재 계면에서 상대움직임이 발생하지 않으며, 응력을 고르게 분포시킴을 확인하였다. 설계된 임플란트의 골유착 정도를 알아보기 위해 직접 제작하여 동물 실험을 진행하였다. 토끼의 대퇴골에 식립하여 4주가 지난 후에 동요도를 측정하였으며, 모든 임플란트에 대해 동요도가 거의 일어나지 않은 것을 확인하였다. 이는 완충고정임플란트가 골유착의 조건을 만족하고 있다는 것을 의미한다.