전통적인 총의치를 이용한 무치악 환자의 보철치료에서 무치악제의 흡수가 심할 경우 총의치 보철물의 유지력을 충분히 얻을 수 없다. 이러한 경우에는 어태치먼트를 활용한 임플란트 피개의치가 대안이 될 수 있다. 임플란트 피개의치는 어태치먼트의 기계적인 결합에 의해 유지력을 확보하여 의치의 안정성을 향상시킬 수 있으나, 장기간 사용 시 어태치먼트 구성요소의 마모(abrasion)로 인한 유지력 저하를 극복하기 위해 주기적인 교체를 통한 관리가 필요하다. 이와 같이 어태치먼트의 요구조건 중 마모저항성은 임플란트 피개의치의 수명을 결정할 수 있는 중요한 요소로 알려져 있어서 제조사에서는 다양한 재료의 어태치먼트를 개발하여 공급하고 있다[1].

최근 의료계에서 널리 사용중인 고성능 반결정성 열가소성 플라스틱인 PAEK (polyaryletherketone)는 기계적 성질 및 생체적합성이 우수하여 정형외과 치료에서 티타늄 금속을 대체하여 사용되고 있다[2-4]. PAEK는 단량체에 포함된 ether-와 keto-의 비율과 배열순서를 조절하여 기계적 성질 및 용융온도 등을 증가시킬 수 있는데[5], 치과 영역에서 사용되고 있는 PAEK 계열의 폴리머 중 PEEK (polyehteretherketone)는 주로 임플란트 임시 지대주 제작, 가철성 국소의치의 프레임(framework) 및 클래스프(clasp) 제작에 사용된다[6]. 최근에 알려진 PEKK (polyetherketoneketone)는 PAEK계 고분자 중에서 물리적 성질 및 화학적 안정성이 가장 우수하며, PEEK에 비해 압축강도는 최대 80%까지 더 높고 마모저항성이 우수한 소재로 알려져 있다[2,7]. PEKK는 고분자의 매개변수를 다양하게 처리하여 물리적 성질을 조절할 수 있는데, 결정질 PEKK는 강도가 우수하여 고정성 보철물 제작에 사용되고, 비정질 PEKK는 탄성을 활용하여 가철성 보철물 제작에 사용할 수 있어서 임플란트 어태치먼트 재료로 활용할 수 있다. 또한 PAEK계 폴리머는 열가압성형, computer-aided design/computer-aided manufacturing 시스템을 활용한 절삭가공 및 적층가공 등의 다양한 방법으로 가공이 가능하여 활용 범위가 넓다.

임플란트 피개의치에 사용되는 어태치먼트는 임플란트 매식체(fixture)에 결합되는 male part, male part에 결합되어 보철물의 유지력을 제공하는 insert (female part), insert를 수용하여 의치상 내면에 부착되는 housing으로 구성된다. Insert는 male part의 언더컷에 기계적으로 결합하여 의치가 조직으로부터 탈락되지 않도록 유지력을 발휘한다. 어태치먼트 구성요소 중 male part와 housing은 일반적으로 금속으로 제작되며, housing 내면에 장착되는 insert는 탄성이 높고 마모저항성이 높은 재료를 사용하여 유지력을 얻는다. 임플란트 피개의치용 어태치먼트는 환자의 수직고경, 교합력 등의 구강환경을 고려하여 선택되는데, 임상에서 널리 활용되는 제품 중 하나인 Locator (Zest Anchors) 시스템은 stud type의 어태치먼트로서 수직고경이 낮은 무치악 환자에게 주로 사용되며, nylon 소재의 교환가능한 insert를 통해 유지력을 얻는다[8]. Lee와 Sohn [9]은 Locator 어태치먼트가 장착된 임플란트 피개의치를 임상적으로 평가한 결과 초기의 환자 만족도가 높았으나 장기간 반복적인 의치의 착탈로 인한 nylon insert의 마모는 유지력 감소를 동반하며, 마모된 insert의 교체를 위한 환자의 반복적인 내원은 환자의 만족도를 감소시키는 요인이라고 보고하였다. 따라서 임플란트 피개의치의 수명 연장과 환자의 만족도를 향상시키기 위해 insert의 유지력을 장기간 확보하는 것이 중요하다고 하였다.

본 연구에서는 PAEK 그룹 중 탄성과 마모저항성 등의 물리적 성질이 우수하다고 알려진 PEEK와 비정질 PEKK로 insert를 각각 제작하여 stud type의 임플란트 피개의치 시스템을 고안하였다. 인장응력 실험을 통해 각 재료로 제작된 insert의 유지력을 분석하였고, 그 결과를 임상에서 사용중인 제품과 비교하여 임상에서의 활용 가능성을 알아보고자 하였다.

1. 실험 재료 및 시편 제작

본 연구에 사용된 치과 임플란트 지대주는 하부에 결합될 매식체(YS implant; Yes Biotech) 및 상부에 결합될 insert와 정밀하게 체결되는 형태로 3차원 모델링을 하였다. 매식체와 체결이 될 지대주의 하부는 11° morse taper 형태로 디자인 하였고 어태치먼트와 결합될 지대주의 상부는 직경 3.84 mm의 모서리가 둥근 stud type의 solid abutment로 설계하였다(Fig. 1A). Insert 내면의 돌출부와 결합될 부위는 0.15 mm 깊이의 언더컷을 형성하였다. 설계된 지대주는 CNC 자동선반(SR-20J type C; STAR Micronics)을 사용하여 티타늄(grade 4)으로 절삭가공 되었다(Fig. 2).

Figure 1. Designed stud-type attachment. (A) Abutment (male part), (B) housing, and (C) insert (female part).

Figure 2. Photographs of milled abutment and attachment parts. (A) Insert mounted to housing, (B) abutment and attachment, and (C) combination of attachment and abutment.

어태치먼트의 insert는 PEKK (OXPEKK Polymer; Oxford Performance Materials)와 PEEK (OXPEEK Polymer; Oxford Performance Materials)로 각각 제작하였다. 먼저 지대주의 외형과 동일하게 insert의 내면을 디자인하여 지대주의 male part와 긴밀하게 체결되도록 하였고, insert의 외면은 housing의 내부와 정밀하게 체결되는 형태로 설계하였다(Fig. 1B). Insert의 내측 하부는 male part의 언더컷에 접촉하여 기계적인 유지력을 확보하기 위해 내측으로 좁아지는 형태로 돌기를 형성하여 디자인 하였다(Fig. 1C). housing의 외측 상부는 유지력 시험을 위해 사용될 만능시험기(E3000; Instron)의 upper grip에 체결이 용이한 형태로 특별하게 설계되었다(Fig. 2C). 설계된 insert와 housing은 CNC 자동선반(SR-20J type C; STAR Mocronics)을 사용하여 절삭가공 하였고, 그룹 당 10개씩 총 20개의 어태치먼트를 준비하였다.

2. 유지력 실험

어태치먼트의 유지력 측정을 위해 만능시험기(E3000; Instron)를 사용하여 인장응력(tensile stress)을 측정하였다. 지대주는 만능시험기의 vertical jig에 수직으로 고정하고 housing은 만능시험기의 upper grip에 결합하였다. 지대주와 어태치먼트가 결합된 축에 평행하도록 설정하여 cross-head speed 7.5±2.5 mm/min의 조건으로 인장응력을 가하였고, 지대주로부터 어태치먼트가 탈락되는 순간의 최대인장응력(ultimate tensile stress)을 측정하여 지대주에 대한 어태치먼트의 유지력을 평가하였다[10]. 그룹 당 10개의 시편 각각에 대해 10회씩 반복하여 평균값을 분석하였다.

3. 마모저항성 실험

PEEK, PEKK로 각각 제작된 insert의 마모저항성을 평가하기 위해 30 N의 수직하중으로 insert를 지대주에 결합한 후 cross-head speed 7.5±2.5 mm/min의 조건으로 인장응력을 가하여 제거하였다. 각 시편당 10회씩 착탈을 반복한 후 housing으로부터 insert를 분리하여 절반으로 절단하여 insert 내면의 하부 돌출부 사이의 직경을 비접촉광학측정기인 video meter (VMS-1510; Rational)를 이용하여 측정하였다. 시편당 3회씩 측정하여 최초의 내부 직경과 착탈 실험 후 직경의 차이를 비교하였고 그 결과를 통해 insert의 마모저항성을 평가하였다(Fig. 3).

Figure 3. Photographs of the internal diameter measurement of the “insert” using a video meter.

4. 통계분석

PEEK와 PEKK로 제작된 어태치먼트의 유지력 및 마모저항성 시험 결과 값은 SPSS 프로그램(IBM SPSS Statistics ver. 23.0; IBM)을 사용하여 통계분석 하였다. 두 실험군 간 유지력 및 마모저항성 실험 결과 값의 비교는 정규성 검정 후 독립표본 t검정을 시행하였고, 각 그룹 내의 마모저항성 실험 전 후 결과 값은 대응표본 t검정을 통해 분석하였다.

1. 유지력 실험

본 실험을 위해 특별히 고안하여 동일한 형태로 가공된 PEKK 및 PEEK insert의 male part에 대한 유지력을 측정하였다(Fig. 4, Table 1). 그 결과 PEEK 시편의 최대인장하중은 56.69±3.88 N, PEKK 시편의 최대인장하중은 70.27±7.76 N으로써 PEKK시편을 지대주로부터 탈락시키기 위한 최대인장하중이 13.58 N 높게 나타나 PEKK insert의 유지력이 PEEK insert에 비해 우수한 것으로 나타났다(p<0.05).

Table 1 . Values of ultimate tensile stress.

Specimen	Ultimate tensile stress (N)										Mean±SD	p
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
PEEK	56.32	50.83	56.60	52.78	64.80	57.58	55.57	60.75	55.53	56.12	56.69±3.88	<0.001
PEKK	83.57	68.80	59.27	67.12	66.87	71.78	68.97	79.95	75.77	60.62	70.27±7.76	<0.001

PEEK: polyetheretherketone, PEKK: polyetherketoneketone, SD: standard deviation..

p-values are determined from independent samples t-test, <0.05..

Figure 4. Graph of ultimate tensile stress for PEEK and PEKK specimens. PEEK: polyetheretherketone, PEKK: polyetherketoneketone.

2. 마모저항성 실험

가공된 insert 내면의 돌출부의 최초 직경(pre-internal diametor)의 평균값은 PEEK와 PEKK 모두 3.4701±0.032 mm였고, 10회 착탈 실험 후 insert의 내면 돌출부의 직경(post-internal diametor)은 PEEK가 3.4810±0.0069 mm, PEKK는 3.4798±0.0061 mm로 관찰되었다(Table 2). PEEK의 직경이 더 크게 나타난 것으로부터 PEKK의 마모저항성이 PEEK보다 우수한 것으로 나타났다. 두 값을 분석한 결과 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다(p>0.05). 측정된 PEEK 및 PEKK insert의 내면 직경의 값에 대해 사전사후분석을 실시한 결과 PEEK와 PEKK 모두 유지력 실험 후 의 직경이 최초의 직경에 비해 크게 나타나 마모가 발생하였으나 유의한 차이는 나타나지 않았다(p>0.001).

Table 2 . Values of post-internal diametor.

Specimen	Ultimate tensile stress (N)										Pre-internal diametor (mm)	Post-internal diametor (mm)	p
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
PEEK	3.48	3.48	3.47	3.49	3.49	3.48	3.48	3.47	3.49	3.49	3.4701±0.032	3.4810±0.0069	0.001
PEKK	3.48	3.48	3.48	3.49	3.48	3.48	3.47	3.48	3.49	3.48	3.4701±0.032	3.4798±0.0061	0.002
*p												0.702

PEEK: polyetheretherketone, PEKK: polyetherketoneketone..

p-values are determined from paried samples t-test. *p-values are determined from independent samples t-test..

본 연구에서는 PAEK 계열의 고성능 PEEK과 PEKK으로 제작된 stud type 어태치먼트의 유지력과 마모저항성을 관찰하였다. 고성능 열가소성 레진인 PEEK와 PEKK는 마모저항성, 굴곡강도, 인장강도 그리고 파절저항성 등이 우수 하다고 알려져 있다[1]. 임플란트 피개의치에 사용되는 어태치먼트는 구강내의 교합압에 충분히 견딜수 있을만큼 강도가 우수해야 하고 여러 번 반복 착탈시 지대주 상의 male part와 female part 내의 insert는 마모에 의해 헐거워지지 않도록 마모 저항성이 좋아야 한다. 본 연구에서는 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 물리적 성질을 가진 PEEK와 PEKK를 사용하여 어태치먼트의 insert를 제작하였다.

PEEK와 PEKK로 제작된 insert를 지대주에 장착 후 탈거 시 최대인장강도를 측정한 결과 PEEK insert는 56.26±0.58 N, PEKK insert는 69.12±0.92 N으로 측정되어 PEKK insert의 유지력이 높게 나타났다(p<0.05). Fuhrmann 등[5]은 PEKK가 비강화 PAEK 계열의 PEEK보다 기계적 성질 및 마모저항성이 우수하다고 보고하였는데, 본 실험의 결과로부터 PEEK보다 탄성계수가 높은 PEKK insert가 지대주로부터 탈락하려는 힘에 대한 저항력이 더 우수하여 유지력이 높게 나타난 것으로 생각된다. Choi [11]는 다양한 형태의 어태치먼트의 유지력 특성을 분석한 연구에서 stud type 어태치먼트(Locator, O-ring, EZ lock) 중 Locator (white) 제품의 초기 유지력이 69.87±5.57 N으로서 가장 높게 나타났고, EZ lock 제품의 초기 유지력은 7.71±1.27 N으로 가장 낮게 나타났다고 보고하였는데, 본 연구에 사용된 PEEK insert의 최대인장강도는 56.69±3.88 N, PEKK insert는 70.27±7.76 N으로 관찰되어 두 재료 모두 Locator (white) 어태치먼트와 유사하게 나타나 임상에서 허용 가능한 수준으로 생각된다.

PEEK와 PEKK로 제작된 insert의 마모저항성을 평가하기 위해 insert 내면 돌출부의 최초 내경(3.47 mm)과 각각의 insert를 지대주에 10회씩 반복 착탈한 후 돌출부 내경을 비교분석하였다. 반복 착탈 후 insert 돌출부의 내경은 PEEK insert가 3.4810±0.0069 mm, PEKK insert는 3.4798±0.0061 mm로서 PEEK insert 내면 직경이 크게 나타나 PEKK의 마모저항성이 더 우수한 것으로 나타났다(p<0.001). Kim 등[12]은 PEKK는 PEAK계열 고분자 중 물리적 성질이 가장 우수하고 높은 탄성 및 탄성복원력 발휘하여 일정한 힘을 제공한다고 하였는데, 본 실험에서 PEKK insert의 마모저항성이 PEKK보다 높게 나타난 결과에 상응한다.

PEEK와 PEKK로 제작된 insert의 마모저항성에 대한 사전사후분석을 실시한 결과 PEEK와 PEKK 모두 유지력 실험 후 직경이 크게 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다(p>0.001). Song 등[13]은 임플란트 피개의치용 어태치먼트의 유지력에 관한 연구에서 약 100회 이상 반복 착탈을 하였을 때 어태치먼트의 유지력 저하가 발생하였다고 보고하였고, Rutkunas 등[14]은 어태치먼트의 마모로 인한 표면변화는 거칠기를 증가시켜서 미세 기계적 마찰력이 발생하여 유지력 증가될 수 있다고 보고하였다. 본 실험은 PEEK와 PEKK로 제작된 insert의 유지력을 관찰하고 insert의 반복착탈 후 각 재료의 마모저항성을 분석하기 위해 고안되었으나, 마모저항성이 우수한 PEAK 계열 재료의 특성을 고려했을 때 본실험에서 설계한 착탈 횟수 10회는 마모저항성을 정확하게 평가하기에 부족하였다. 따라서 추가 연구를 통해 PEEK 및 PEKK insert의 착탈 횟수를 증가시키고 그에 따른 표면 특성의 변화를 관찰하여 마모저항 거동을 명확하게 분석할 필요가 있을 것으로 생각된다.

본 연구는 임플란트 피개의치의 구성요소 중 insert를 PEEK와 PEKK로 제작하여 insert 제작 재료에 따른 지대주와 유지력 및 마모저항성을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. PEEK insert를 지대주로부터 탈락 시키기 위해 필요한 최대인장하중은 56.69±3.88 N, PEKK insert의 최대인장하중은 70.27±7.76 N으로써 PEKK로 제작된 insert의 유지력이 PEEK insert에 비해 13.58 N 높게 나타났다(p<0.05).

2. 각 재료로 제작된 insert의 마모저항성을 평가한 결과 PEEK insert에 비해 PEKK insert의 마모저항성이 높게 나타났으나 유의한 차이는 없었다(p>0.001).

3. PEEK 및 PEKK로 제작된 두 종류의 어태치먼트 insert는 가공 정밀성이 우수하였고, 유지력은 임상에서 허용할 수 있는 값을 나타내었다.

None.

본 연구는 2022년도 김천대학교 학술연구비(gc22025) 지원에 의해서 이루어진 논문임.

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