Analysis of thermal changes in bone by various insertion torques with different implant designs

Purpose: This study aims at investigating the influence of various insertion torques on thermal changes of bone. A proper insertion torque is derived based on the thermal analysis with two different implant designs. Materials and methods: For implant materials, bovine scapula bone of 15 - 20 mm thickness was cut into 35 mm by 40 - 50 mm pieces. Of these, the pieces having 2 - 3 mm thickness cortical bone were used as samples. Then, the half of the sample was immersed in a bath of $36.5^{\circ}C$ and the other half was exposed to ambient temperature of $25^{\circ}C$, so that the inner and surface temperatures reached $36.5^{\circ}C$ and $28^{\circ}C$, respectively. Two types of implants ($4.5{\times}10\;mm$ Br${\aa}$nemark type, $4.8{\times}10\;mm$ Microthread type) were inserted into bovine scapula bone and the temperature was measured by a thermocouple at 0.2 mm from the measuring point. Finite element method (FEM) was used to analyze the thermal changes at contacting surface assuming that the sample is a cube of $4\;cm{\times}4\;cm{\times}2\;cm$ and a layer up to 2 mm from the top is cortical bone and below is a cancellous bone. Boundary conditions were set on the basis of the shape of cavity after implants. SolidWorks was used as a CAD program with the help of Abaqus 6.9-1. Results: In the in-vitro experiment, the Microhead type implant gives a higher maximum temperature than that of the Br${\aa}$nemark type, which is attributed to high frictional heat that is associated with the implant shape. In both types, an Eriksson threshold was observed at torques of 50 Ncm (Br${\aa}$nemark) and 35 Ncm (Microthread type), respectively. Based on these findings, the Microthread type implant is more affected by insertion torques. Conclusion: This study demonstrate that a proper choice of insertion torque is important when using a specific type of implant. In particular, for the Microthread type implant, possible bone damage may be expected as a result of frictional heat, which compensates for initial high success rate of fixation. Therefore, the insertion torque should be adjusted for each implant design. Furthermore, the operation skills should be carefully chosen for each implant type and insertion torque.

서로 다른 형태의 임플란트의 식립토크가 골에 미치는 열변화에 관한 연구

연구 목적: 임플란트 식립시에 발생할 수 있는 열변화는 임플란트의 실패를 초래할 수 있다. 식립토크에 따른 열변화 양상을 파악함으로 임플란트의 형태에 따른 차이점과 적절한 식립토크가 어떤 것인지 파악하고자 한다. 연구 재료 및 방법: 실험재료로는 두께 15 - 20 mm의 소 견갑골을 가로 35 mm, 세로 40 - 50 mm 크기가 되도록 골편으로 자르고 이중에 피질골의 두께가 2 - 3 mm 되는 표본을 선정한 후 표본의 반을 $36.5^{\circ}C$ 수조에 실온 $25^{\circ}C$에 노출 시켜 내부 온도는 평균 $36.5^{\circ}C$, 표면온도 $28^{\circ}C$가 되도록 설계하였다. $4.5{\times}10\;mm$의 외부육각을 가지는 Br${\aa}$nemark 형태의 임플란트와 $4.8{\times}10\;mm$의 Microthread 형태를 지니는 내부연결 형태의 임플란트를 과도한 식립토크로 식립하고 온도 측정은 계측점에서 0.2 mm 이내에 열전대를 위치시켜 기록하였다. 삼차원유한요소 분석은 골의 형태를 가로 4 cm, 세로 4 cm, 높이 2 cm의 직육면체로 가정하고, 직육면체 윗면에서 2 mm까지를 피질골, 그 아랫부분을 해면골이라고 가정하였다. 마찰열은 매식이 종료된 상황에서 골에 남는 cavity 모양을 기초로 경계조건을 부여하였다. CAD 프로그램인 SolidWorks 소프트웨어를 이용하였고, 이를 유한요소 구조해석용 프로그램인 Abaqus 6.9-1로 불러들여 해석하였다. 결과 및 결론: In vitro실험에서 Microthread type의 임플란트가 상대적으로 더 높은 최고점 온도를 보여주고 있으며 이는 임플란트의 형태에 따른 마찰열 발생이 주요 원인으로 보인다. 유한요소분석을 통해 살펴본 결과 Br${\aa}$nemark 형태의 임플란트의 경우 50 Ncm이상에서 Microthread를 가지는 형태의 경우에는 35 Ncm이상에서 Eriksson 등이 보고한 역치를 초과하는 온도가 발생하였다. 이를 통해 볼 때 Microthread type 이 식립토크에 따른 온도 증가가 더 민감함을 알 수 있다. 실험결과를 통해서 서로 다른 형태의 임플란트 식립시에 임플란트의 형태에 따라 적절한 삽입토크를 부여하는 것이 성공적인 임플란트 시술에 중요한 요소 중에 하나임을 알 수 있었다. 특히 Microthread를 갖는 임플란트 형태는 높은 초기고정성을 얻을 수 있다는 장점이 있는 반면 과도한 식립 토크로 인한 열 손상 가능성을 가질 수 있으므로 골량과 골질의 신중한 평가와 적절한 수술기법이 필요할 것으로 생각된다.