1. 서 론
최근 임플란트 보철물의 경우 나사의 길이 및 형태에 따라서 다양한 조건으로 연구개발이 되고 있다. 특히 임플란트 나사의 경우 구강 내에서 반복적인 하중을 통해 영향을 받고 이를 바탕으로 파단강도 연구를 많이 수행하고 있다(Coray et al., 2016).
이러한 보철물이 구강 내에서 파단이 되는 경우에는 임상적으로 여러 합병증을 유발할 수 있으며, 잔여물을 제거할 시에는 본체 손상 가능성까지 남아있는 문제가 있다.
임플란트 보철 스크류는 체결 시 형성되는 preload에 의해 접합부의 체결력을 유지한다. 하지만 구강 내에서는 반복적이고 다방향적인 교합 하중이 작용하며, 이는 preload 감소, 미세 슬립(micro-slip), 나사산 미끄러짐(thread slip) 및 피로 누적을 유발할 수 있다. 이러한 과정이 지속되면 스크류 풀림 또는 파절로 이어질 수 있으며, 파절 잔여물 제거 과정에서 임플란트 본체 손상의 위험도 존재한다.
기존의 유한요소해석 연구는 주로 임플란트 본체(Fixture)와 뼈의 결합부분에서의 응력 분포에 초점을 맞추어 왔으며, 보철 스크류 자체의 기계적 거동에 대한 연구는 상대적으로 제한적이었다(Kwon, 2012; Satpathy et al., 2022; Shi et al., 2017). 또한 스크류 설계와 관련된 연구들은 주로 직경이나 전체 길이 변화에 따른 응력 분포를 분석하는 데 집중되어 왔으며, 나사산 형상 변수, 특히 나사산 간격(thread pitch)이 응력 집중 및 체결 안정성에 미치는 영향에 대한 정량적 분석은 충분히 이루어지지 않았다(Bakaeen et al., 2001; Jin et al., 2023).
기계공학적 관점에서 나사산 간격은 하중 전달 방식과 접촉면적에 직접적인 영향을 미치는 중요한 변수이다. 나사산 간격이 증가하면 단위 길이당 접촉 횟수가 감소하여 응력 집중이 증가할 수 있으며, 반대로 간격이 감소하면 접촉면이 증가하여 응력 분산 효과가 기대될 수 있다. 또한 스크류 길이의 증가는 나사산 접촉 영역을 확대시켜 하중 전달 경로를 변화시키며, 이는 응력 집중 위치 및 크기에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 이러한 두 변수의 상호작용 효과에 대한 체계적인 비교 연구는 부족한 실정이다(Noda et al., 2020).
따라서 본 연구의 목적은 임플란트 보철 스크류의 길이 차이와 나사산 간격 변화를 주요 변수로 설정하여, 다양한 하중 조건 하에서 스크류에 발생하는 응력 분포를 유한요소해석을 통해 정량적으로 비교･분석하는 것이다. 이를 통해 스크류 설계 변수에 따른 응력 집중 경향을 규명하고, 임상적 합병증 감소를 위한 기계적 설계 근거를 제시하고자 한다.
2. 본 론
이 장에서는 치과 임플란트의 모델링 및 구조를 설명하고, 임플란트 나사의 구조와 구강 내 하중조건에 따른 응력 및 변위를 분석하고자 한다. 유한요소해석은 Abaqus 2020 software를 활용하였다.
2.1 소재 및 물성
임플란트 본체(Fixture)는 Ti-Grade 4 소재를 적용하였으며 영률이 105,000MPa이고 포아송비가 0.37로 설정하였으며, 보철 고정나사(Screw)와 임플란트 지대주(Abutment)는 Ti-6AL-4V-ELI 소재로 적용하였으며 영률 110,000MPa에 포아송비 0.33으로 설정되었다. 전체 하중조건을 받게 되는 금속 프레임은 Co-Cr alloy 소재로 영률 218,000MPa에 포아송비 0.33으로 설정되었다. 사용된 재료 모델은 선형탄성 모델로 물성값을 설정하였다. 그리고 Fig. 1과 같이 C3D4 element 조건으로 mesh 구조로 변환하였다.
2.2 경계조건 및 하중조건
Fig. 2와 같이 경계조건으로 먼저 4개의 임플란트 본체에 ENCASTRE 조건으로 뼈에 고정된 조건을 설정하였으며, 실제 상악과 하악이 맞물려 주어지는 압력 조건에 따라서 왼쪽부터 150N, 150N, 100N, 100N, 150N, 150N의 하중 조건을 주어 설정을 하였다. 하중은 금속 프레임에 가해지게 되며 이를 바탕으로 전체 임플란트에서 보철 고정나사의 응력 집중을 분석하였다.
보철 고정나사의 나사산(Thread) 조건은 Interaction-Surface-to-surface contact에서 주었으며 angle은 30도, pitch는 0.3 또는 0.2mm의 조건으로 수행되었다.
전체 element 수는 940501개고 node 수는 190849개이며, elements는 C3D4 타입으로 해석을 수행하였다.
2.3 수치 결과 및 고찰
수치해석 결과를 보게되면 Fig. 3과 같이 압력이 가해진 부분의 응력을 확인할 수 있으며, 최대 하중인 106.7MPa이 나타나는 부분은 posterior 임플란트 지대주와 임플란트 본체 사이에서 나타나게 된다. 그림과 같이 지대주와 동일하게 총 4개의 보철 고정나사가 anterior 부분에 2개 posterior 부분에 2개 위치한 것을 확인할 수 있으며, 전체 하중이 대칭으로 주어졌기 때문에 anterior와 posterior에서의 응력 차이는 매우 낮아 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
pitch 0.3mm의 경우 Fig. 4와 같이 해석결과가 나타난 것을 확인할 수 있으며, 임플란트의 anterior 나사의 경우 나사의 나사산 부분과 나사헤드와 나사산 사이 부분에 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있으며, posterior 부분은 나사산 부분에 응력집중이 발생하고 anterior 대비해서 더 큰 응력이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 5에서는 Fig. 3과 같은 하중 조건에서의 전체 해석결과를 보여주고 있으며, 최대응력이 감소한 것을 확인할 수 있다.
pitch가 0.2mm의 경우 Fig. 6과 같이 응력분포 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 전체적인 경향성은 동일하게 나타나는 것을 알 수 있지만 Fig. 4 조건과 비교했을 때 anterior 나사의 최대응력은 증가하고 posterior 나사의 최대응력은 감소하는 형태로 나타나는 것을 보여준다.
Table 1의 결과는 pitch 변화에 따라 anterior 및 posterior screw 간 응력 재분배가 발생함을 보여준다. 절대적인 응력 수치의 변화는 작지만 anterior와 posterior 변화로 응력이 재배치 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 임플란트 설계 단계에서 thread pitch를 설계 변수로 활용하여 특정 위치의 응력 집중을 조절할 수 있음을 의미한다. 이러한 하중 분담 조절을 통해 특정 screw에 과도하게 집중되는 응력을 완화할 수 있으며, 이는 다방향 교합하중 조건에서 스크류 풀림 및 파절을 억제하는 데 기여할 수 있다.
3. 결 론
본 연구에서는 유한요소해석을 기반으로 임플란트 나사의 thread pitch 변화에 따른 응력 분포 특성을 체계적으로 분석하고, anterior 및 posterior screw 위치에 따른 응력집중 거동을 정량적으로 비교하였다.
해석 결과, pitch 감소에 따라 anterior screw에서는 최대 응력이 증가하는 반면, posterior screw에서는 감소하는 상반된 경향이 나타났다. 이러한 결과는 pitch 변화가 단순히 응력 크기를 변화시키는 것이 아니라, screw 위치 간 하중 분담을 재분배하는 메커니즘을 유도함을 의미한다. 이는 나사산 간격 변화에 따른 하중 전달 경로 및 접촉 조건 변화에 기인한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 preload 조건이 고려되지 않았다는 한계가 있으며, 이는 향후 연구를 통해 보완될 필요가 있다.
그럼에도 불구하고 thread pitch는 단순한 기하학적 변수 이상의 의미를 가지며, 위치별 응력 재분배와 응력집중을 제어할 수 있는 주요 설계 인자임을 확인하였다. 따라서 임플란트 설계 시 pitch 최적화를 통해 특정 screw의 과도한 응력집중을 완화하고, 다방향 교합하중 조건에서의 기계적 안정성을 향상시킬 필요가 있음을 시사한다.
