치과용 임플란트를 사용한 부분 무치악 및 무치악 부위 수복은 Branemark이 골유착 현상을 발견한 이후 현재까지 널리 적용되고 있으며 현재는 상실된 치아를 재건하는 가장 이상적인 치료 방법으로 인식되고 있다[1]. 임플란트 주변 지지골에 전달되는 과도한 응력 및 부적절한 응력 분산은 골흡수 현상을 유발할 수 있는 중요한 문제로 이에 대한 연구는 관심이 높은 분야 중 하나이다. 치과용 임플란트 주변 지지골에서 발생하는 골흡수 현상은 임플란트가 식립된 후 초기에 나타나는 골흡수와 지속적으로 진행되는 점진적 골흡수로 구분할 수 있다[2].

임플란트 시술 후 발생할 수 있는 초기 골흡수의 원인으로 수술 시 주변 조직 및 지지골의 손상이나 치유 기간 동안 임플란트에 적용된 부적절한 외력으로 추정할 수 있다[2]. 또한 점진적인 골흡수로 인해 임플란트의 골유착 실패 현상은 임플란트 시술 이후 과도한 외력이 가장 큰 원인으로 지적되고 있으며 장기적인 치주 관리 실패로 인한 치은염이 추가적인 원인으로 보고되고 있다[3-7]. 이러한 원인 이외에 다수의 연구자들은 임플란트 골흡수 현상이 생역학적인 문제에 의해 골흡수가 발생할 수 있다고 보고하였다[8]. 생역학적인 요인에는 임플란트 표면 형상 및 형태, 골질, 골량 등의 환자적 요소들이 존재한다. 따라서 임플란트 보철 수복의 장기적 성공에 영향을 주는 주요 요인은 하중의 위치, 방향, 지지골에 전달된 외부 하중, 임플란트 골 계면의 상태, 임플란트 직경과 길이, 임플란트 나사산 형태, 임플란트의 표면 구조 등으로 다양하다[9-12].

임플란트 적용 증례에 따른 시술 시 환자에게 적용되는 지대주 소재는 임플란트 시스템 및 주변 지지골의 응력 분포에 영향을 미치게 된다[13]. 무치악 부위에서 임플란트의 성공은 임플란트 형태, 수술 접근 방식, 치유 시간 및 보철 적용 중 초기에 적용되는 하중이 골 부하에 의해서 결정될 수 있다[14]. 따라서 임플란트 주변 지지골에 발생하는 생역학적 응력을 적절하게 분산시키는 것은 임플란트 보철의 장기적 성공을 위한 필수 조건이라고 할 수 있다.

최근 티타늄(Titanium, Ti) 지대주 소재를 대체할 수 있는 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK) 소재가 소개되고 있다. PEEK 소재는 가공성 및 심미성이 뛰어나며 1998년에 처음 상업적으로 사용된 열가소성 고분자 소재이다[15]. 최근 정형외과 분야에서 티타늄 소재를 대체하기 위한 물질로 보고되고 있다. PEEK 소재는 열가소성 소재이기 때문에 금속 재료보다 경량성이 좋으며 견고한 금속 소재보다 효율적인 가공성을 가진다. 순수 PEEK는 기계적 특성이 약하기 때문에 통상적으로 유리(glass)나 탄소 섬유(carbon fiber)를 첨가해서 기계적 물리적 특성을 개선할 수 있다[15]. 선행 연구에서 PEEK에 30% 탄소 섬유를 첨가한 강화 PEEK를 티타늄 고정체와 비교하여 하중 전달 시 응력 분포를 평가하였다[16]. 또한 Schwitalla 등[17]은 유한요소해석법을 이용해 60%의 탄소 섬유가 첨가된 PEEK의 고정체에 대한 연구를 진행하였다. 하지만 이러한 탄소 섬유의 첨가는 PEEK 소재의 색상에 중요한 영향을 미치게 되며 탄소 섬유 함량이 증가할수록 어두운 색조를 나타내게 된다[17].

임플란트-골 계면은 골유착의 정도에 따라 응력의 집중에 의해 쉽게 손상될 수 있다는 점에서 임플란트 시스템에서 발생하는 응력 분산에 대해서 공학적인 해석이 필요하다. 유한요소해석(finite element analysis, FEA)은 수십 년 동안 의학 및 치과 분야에서 사용되었다[18]. 이와 같은 FEA는 임플란트와 주변 조직 사이의 상호작용 현상을 시뮬레이션 할 수 있는 장점이 있다[18]. 선행 연구에서 임플란트 수복물의 하중 방향 및 구속 조건에 따른 응력 분포[19], 고정체 소재에 따른 응력 분포[20], 그리고 임플란트 구조 형상에 따른 응력 분포에 관한 연구[21] 등 유한요소법을 이용한 다양한 연구가 진행되었다. 그러나 순수 PEEK를 지대주 소재로 적용했을 때 임플란트 주변 지지골에 전달되는 응력 분포를 평가한 연구는 미흡하며 임플란트 시스템의 구조물에 미치는 영향에 대해서 광범위하게 연구되지 않았다. 또한 탄소 섬유를 첨가한 강화 PEEK는 심미성이 결여되는 단점이 있기 때문에 본 연구에서는 순수 PEEK를 연구에 적용하였다. 본 연구의 목적은 3차원 FEA를 이용해 티타늄 지대주와 PEEK 지대주를 적용한 임플란트 시스템에서 주변 지지골의 응력 분포를 비교 평가하는 것이다.

1. 유한요소 모델

본 연구에서는 CATIA 프로그램(Dassault Syst_èmes, V_élizy-Villacoublay, France)을 이용하여 하악 제1대구치를 모방한 단일 구조 임플란트 시스템의 각 구성품(고정체, 지대주, 지대주 나사, 상부보철물, 치밀골 그리고 해면골)을 설계하였다. 유한요소해석의 편의를 위해 하악 제1대구지의 주위 인접 치아는 제외하였다.

연구에 사용된 임플란트 시스템은 현재 상용화되고 있는 MegaGen 임플란트 시스템(Megagen, Daegu, Korea)에 근거하여 설계되었으며 선행 연구를 기반으로 하악 구치부에 널리 사용되는 직경 5 mm, 길이 11.8 mm의 고정체를 사용하였다[13]. 지대주(ZrGen Abutment; MegaGen)는 cuff 1.5 mm, 직경 4.5 mm, 그리고 post height 4.5 mm 구조를 가지는 지대주를 사용하였다. 지대주 나사는 직경 1.8 mm, 길이 5.1 mm로 설계하였다. 전체적인 형상은 하악골의 횡단면 이미지를 기반으로 하악골 블록 모형을 설계하였다. 하악골의 전반적인 설계는 높이 29.5 mm, 너비 14 mm, 그리고 두께 1.4~3.7 mm 피질골로 둘러싸인 형상으로 해면골과 분리하여 설계하였다(Fig. 1A). 이와 같은 모델 구성으로 2가지 다른 지대주 소재를 적용한 임플란트 시스템 모델을 각각 생성하였다(Fig. 2).

Figure 1. (A) Cross-sectional view of the three-dimensional finite element models of dental implants with the internal assembly structure and boundary and loading conditions. (B) Applied forces: 200 N vertically (to each of the 60 nodes on 3 pits) and 100 N obliquely (to each of the 30 nodes on 3 cusps).

Figure 2. von Mises stress values of abutment, screw, and fixture. Ti: titanium, PEEK: polyetheretherketone.

2. 경계 및 하중 조건

연구에 적용된 모든 재료는 균질, 등방성 및 선형 탄성으로 가정하였다. 푸아송비와 재료의 탄성계수는 Table 1과 같이 3차원 모델에 반영되었다[22,23]. FE 모델은 작은 요소로 나누는 작업을 위해 이산화 과정을 수행하였으며 기하학적 오류를 최소화하기 위해 mean size 250 μm 크기의 mesh를 설정하였다. 각 노드(node)는 개별 지점에서 상호 연결된 것으로 가정되었다. Tetra 10 노드 약 20만개로 구성된 단관 임플란트 시스템의 해석 모델에 하중과 경계조건을 적용하여 범용성 해석 프로그램으로(Abaqus; Dassault Syst_èmes) 분석하였다. 저작 하중을 묘사하기 위해 수직 및 경사 방향을 따라 외부 하중을 적용하였다. 특히, 수직 방향으로 3개의 교두와 3개의 fossa의 60개 절점에 각각 200 N의 하중이 가해졌고, 경사 방향으로 3개의 교두에 있는 30개 절점에 각각 100 N의 하중이 적용되었다[24]. 최대등가응력 및 최대/최소주응력은 분석은 지대주, 지대주 나사, 고정체, 피질골 그리고 해면골에서 수행되었다(Fig. 1B).

Table 1 . Mechanical properties of all simulated materials.

Material	Young’s modulus (MPa)	Poisson’s ratio	Reference
Titanium implant	110,000	0.35	[22]
Abutment screw	110,000	0.35	[22]
Titanium abutment	110,000	0.50	[22]
PEEK	4,100	0.40	[17]
Zirconia crown	210,000	0.26	[19]
Cortical bone	13,400	0.30	[22]
Trabecular bone	1,370	0.31	[22]

PEEK: polyetheretherketone..

Fig. 2는 외부 하중에서 지대주, 지대주 나사 그리고 고정체의 최대등가응력(von Mises stress, VMS) 값을 나타낸다. 또한 피질골 및 해면골에 전달되는 VMS, 최대/최소주응력을 Fig. 3에 제시하였다. 외부 하중 적용에서 PEEK-Model의 고정체에서 가장 높은 VMS 값을 나타냈다(Fig. 2). 가장 낮은 VMS 값은 Ti-Model의 지대주 나사에서 관찰되었다. 또한, Ti-Model은 PEEK-Model보다 지대주에서 높은 VMS 값을 나타냈다(Fig. 2).

Figure 3. von Mises and principal stress values in cortical and trabecular bone. Ti: titanium, PEEK: polyetheretherketone.

전체적으로 모든 FE-Model에서 해면골보다 피질골에서 최대 및 최소주응력 수준이 높게 나타났다(Fig. 3). 또한 응력이 집중되는 지점은 Ti-Model과 PEEK-Model에서 유사한 것으로 나타났다. 지대주에서는 고정체의 내면과 지대주의 hex 부분에 응력이 집중되었다(Fig. 4). 지대주 나사의 응력은 나사산 피치와 나사 머리 밑부분에서 가장 높게 나타났다(Fig. 5). 고정체는 협측 목 부위에 응력 집중을 보였다(Fig. 6). 최대 및 최소 주응력의 경우 응력 집중 지점은 피질골의 협측 부위(Fig. 7)와 해면골 말단 부위(Fig. 8)에서 나타났다.

Figure 4. von Mises stress distribution in the abutment. (A) Titanium-Model. (B) Polyetheretherketone-Model. S, Mises: von Mises stress, Avg: average.

Figure 5. von Mises stress distribution in the abutment screw. (A) Titanium-Model. (B) Polyetheretherketone-Model. S, Mises: von Mises stress, Avg: average.

Figure 6. von Mises stress distribution in the fixture. (A) Titanium-Model. (B) Polyetheretherketone-Model. S, Mises: von Mises stress, Avg: average.

Figure 7. von Mises and principal stress distribution on cortical bone. (A) Titanium-Model. (B) Polyetheretherketone-Model. S, Mises: von Mises stress, Avg: average.

Figure 8. von Mises and principal stress distribution on trabecular bone. (A) Titanium-Model. (B) Polyetheretherketone-Model. Avg: average.

본 연구는 3차원 FEA를 사용하여 PEEK 지대주 적용에 대한 임플란트 시스템의 안정성을 티타늄 지대주를 적용한 임플란트 시스템과 비교 평가하였다. FEA를 이용하면 복잡한 구조와 다양한 재료의 변수에 따라 구강 내에서 발생하는 생체역학적 동작을 정성적으로 평가할 수 있으며 응력 분산에 대한 경향성을 알 수 있다[25].

본 연구에서는 FEA에 대한 신뢰성을 높이기 위해 적용된 소재가 균질하고 등방성인 것으로 가정하여 재료의 물성이 모든 방향에서 동일하다고 가정하였으며, 2개의 독립변수(탄성계수 및 푸아송비)만 정의하여 시뮬레이션 되었다. 임플란트 및 주변 지지골의 이상적인 설계가 포함된 FEA는 성공적인 결과를 도출할 수 있다. 이상적인 모델링을 위해서는 요소의 크기가 150~300 μm로 설정되어야 한다. 요소(element) 크기가 300 μm보다 크면 부정확한 결과를 얻을 수 있다고 보고되고 있다[26]. 또한 요소 크기를 150 μm 미만으로 줄이는 것은 분석 시간이 매우 길어지기 때문에 작업의 효율성이 떨어지게 된다[26]. 따라서 본 연구에서는 평균 요소 크기는 250 μm로 설정하였다. 또한 FE-Model의 기계적 물리적 특성을 검증된 선행 연구의 데이터를 바탕으로 진행하였다. 그럼에도 불구하고 유한요소법을 적용한 모델의 세부 사항과 생체역학적 분석 수치는 실제 환자의 구강내의 모든 생화학적 범위를 포함하지 않는다[20,22,24]. 하지만 유한요소해석을 이용한 결과는 임플란트 시스템의 안정성 및 유효성 등을 미리 예측할 수 있기 때문에 새로운 설계 및 제품의 약점을 개선하는데 많은 도움을 줄 수 있다[23,27].

외부 하중이 적용된 임플란트 구조물에서 지지골로 전달되는 응력을 최소화하고 균일하게 분산시키는 것은 임플란트 시스템의 장기적 성공을 위해 필수적인 요소이다[28,29]. 본 연구에서는 외부하중을 적절하게 분산시키기 위해 수직 방향으로 3개의 교두와 3개의 fossa의 60개 절점에 각각 200 N의 하중이 가해졌고, 경사 방향으로 3개의 교두에 있는 30개 절점에 각각 100 N의 하중이 적용되었다.

본 연구에서 PEEK 지대주 소재가 기존에 활용되는 티타늄 지대주 임플란트 시스템과 유사한 지지골 응력 분산과 크기를 보여주었다. 하지만 고정체에서 발생한 응력은 Ti-Model과 비교했을 때 63.9% 높은 응력이 발생하였다. 이는 티타늄 소재의 항복강도인 880 MPa와 유사한 수준을 나타냈다[30]. 이는 PEEK 지대주가 티타늄 지대주보다 낮은 탄성 계수를 가지는 소재의 고유 성질과 하중이 전달되는 과정에서 두 소재의 탄성계수 차이에 의해 나타난 결과로 해석된다. PEEK 소재의 낮은 탄성계수가 높은 변위를 동반하고 이러한 응력을 고정체에 변위를 낮추는 역할로 작용하면서 외부 하중을 고정체에서 흡수한 것으로 간주된다[21,22,27]. 또한 Sarot 등[16]은 PEEK 및 Carbon fiber reinforced PEEK를 지대주 소재로 적용한 임플란트 시스템은 피질골 및 해면골에 대한 응력 분포가 티타늄 임플란트 시스템과 유사하다고 하였다. 이러한 연구결과는 우리의 결과와 동일하다. 게다가 PEEK 소재를 지대주로 적용한 유한요소해석 연구에서 티타늄 임플란트 시스템은 PEEK 임플란트 시스템보다 지대주에서 더 높은 최대등가응력을 보였다. 이러한 연구 결과 역시 우리의 연구 결과와 유사하다[16,17].

본 연구에서 PEEK 지대주를 적용한 임플란트 시스템은 티타늄 임플란트 시스템과 유사한 지지골 응력 분산 및 크기를 나타내어 임플란트 주변 지지골에 대한 안정성은 보장되었지만, 고정체에서 발생한 높은 응력은 임플란트 경계에서 주변 지지골의 손실을 발생시킬 수 있음을 시사한다. 따라서 PEEK 지대주는 티타늄 지대주와 유사하거나 약간 높은 기계적 물성치를 가질 수 있게 개선되어야 한다. 향후, PEEK 지대주를 적용한 임플란트 시스템이 티타늄 임플란트 시스템의 좋은 임상적 대안임을 증명하기 위해서는 소재의 개선과 전향적 임상 연구가 필요할 것이다.

본 연구에서는 3차원 FEA를 이용하여 티타늄 지대주와 PEEK 지대주를 적용한 임플란트 시스템에서 주변 지지골의 응력 분포를 비교 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. PEEK 지대주를 적용한 임플란트 시스템은 임플란트 주변 지지골(피질골 및 해면골)의 응력 분포 측면에서 티타늄 임플란트 시스템과 유사한 응력 분산과 크기를 보였다.

2. PEEK 소재의 낮은 기계적 물리적 특성은 임플란트 시스템 내부의 고정체에서 응력을 흡수하여 주변의 변위를 방지하고 가장 높은 VMS 값을 나타냈다.

3. PEEK 지대주는 임상 적용을 위해 개선된 기계적 물리적 특성이 필요하며 임상 적용은 제한적인 것으로 사료된다.

4. 서로 다른 지대주 소재는 임플란트 주변 지지골의 응력 분산 및 크기에 영향을 미치지 않았다.

The authors appreciate the Megagen Implant Research Center (MIRC) for finite element analysis support.

This research was supported by the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE), Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT) [P0018960] and RESEARCH FUND (2022) offered from Catholic University of Pusan.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.