Influence of bone loss pattern on stress distribution in bone and implant: 3D-FEA study

Purpose: This 3D-FEA study was performed to investigate the influence of marginal bone loss pattern around the implant to the stress distribution. Material and methods: From the right second premolar to the right second molar of the mandible was modeled according to the CT data of a dentate patient. Teeth were removed and an implant ($\Phi\;4.0{\times}10.0mm$) was placed in the first molar area. Twelve bone models were created; Studied bone loss conditions were horizontal bone loss and vertical bone loss, assumed bone loss patterns during biologic width formation, and pathologic vertical bone loss with or without cortification. Axial, buccolingual, and oblique force was applied independently to the center of the implant crown. The Maximum von Mises stress value and stress contour was observed and von Mises stresses at the measuring points were recorded. Results: The stress distribution patterns were similar in the non-resorption and horizontal resorption models, but differed from those in the vertical resorption models. Models assuming biologic width formation showed altered stress distribution, and weak bone to implant at the implant neck area seams accelerates stress generation. In case of vertical bone resorption, contact of cortical bone to the implant may positively affect the stress distribution.

주변 골흡수 양상에 따른 임플란트와 골의 응력분산에 관한 유한요소 분석

연구목적: 본 연구에서는 임플란트 주변 골흡수 양상의 차이가 임플란트와 주변골의 응력 분산에 미치는 영향을 알아보기 위해 수평 골흡수와 임플란트 주변 수직 골흡수에 있어서 주변골의 응력분산, 생물학적 폭경의 형성과 응력분산의 변화 관계 및 병적인 골흡수시의 주변골 응력분포를 유한요소 분석법을 사용하여 비교하고자 하였다. 연구 재료 및 방법:우측 제1 소구치 전방에서 제2 대구치 후방까지의 하악골 모형에서 자연치를 제거하고 직경 4.0 mm, 길이 10.0 mm의 나사형 임플란트를 제1 대구치 부위에 식립하였다. 수평 수직 골흡수의 차이를 보기 위하여 골흡수가 나타나지 않은 형태를 대조군 (I)으로 하여, 1.5 mm 수평 골흡수 (H1.5), 3.0 mm 수평 골흡수 (H3.0) 모형과 이에 상응하는 수직 골흡수 모형 (VW1.5; 1.5 mm, VW3.0; 3.0 mm)을 설계하였고, 생물학적 폭경의 형성과 응력 변화를 관찰하기 위해 생물학적 폭경이 형성되는 과정을 가정한 모형(B0; 피질골에서 임플란트와의 골유착이 없이 밀접하게 접촉된 상태, B1; 피질골에 0.5 mm 폭의 수직 골흡수가 발생한 상태)과 생물학적 폭경이 형성된 상태 (B2)의 모형을 설계하였으며, 생물학적 폭경이 형성된 상태는 0.5 mm 폭을 가지며 임플란트 장축에 경사진 형태를 가지고 있는 1.5 mm 깊이의 수직 골흡수 상태로 형성하였다. 병적 골흡수 상태는 수직 골흡수를 가정한 기존 모형 (VW1.5, VW3.0)과 골흡수가 더 진행된 VW4.5, 기저부에 피질골화가 이루어지지 못한 VO3.0, VO4.5, VO6.0모형을 추가하였다. 하중조건은 수직, 수평하중 그리고 협측 $45^{\circ}$경사하중을 각각 100 N씩 임플란트 보철물 부위에 가하였다. 결과: 분석결과 수평 골흡수와 수직 골흡수에 있어서 전반적인 응력의 크기와 임플란트에 가해지는 응력의 크기는 서로 대응하는 모형에서 유사하였으며, 수직 골흡수에 서 수직력을 받을 때 C2에서 C4로 1.5 mm의 골흡수가 증가하였으나 골에서 발생한 최대응력은 오히려 감소하였다. 수직 골흡수에서 응력이 결손부의 수직 벽을 통해 상부로 분산되는 것을 볼 수 있었다. 생물학적 폭경 형성 단계에서 응력이 가해지는 경우 피질골에서의 결합이 없는 A2에서 피질골 전반에 높은 응력이 발생하였으며 생물학적 폭경의 완성을 가정한 B1에서는 임플란트와 피질골의 경계에서 발생한 응력이 경사진 피질골을 따라서 퍼져나가고 있음을 보였다. 병적 골흡수에서 골결손부 하방에 피질골이 없는 경우는 골흡수에 비례하여 응력이 증가 하였으나 피질골이 있는 경우에는 응력의 증가가 골흡수량의 증가와 비례하지 않음을 보였다. 결론: 임플란트 주변 골흡수의 양이 같아도 흡수된 형태에 따라 발생하는 응력의 크기와 응력분산이 다르게 나타났으며 초기 골흡수 현상은 피질골과의 결합이 약할 때 이 부위에 응력이 증가되어 나타나며, 이후 응력이 감소되어 평형을 이루는 것으로 보인다. 수직 골흡수가 증가할 경우 피질골의 존재 유무가 응력 분산에 큰 영향을 미치며 피질골이 있는 경우 일정 범위에서 응력의 감소가 나타나 응력분산에 유리한 형태에서 골흡수의 진행을 감소시킬 수 있을 것으로 보인다.