Three-dimensional finite element analysis for stress distribution on the diameter of orthodontic mini-implants and insertion angle to the bone surface

The present study was performed to evaluate the stress distribution on the diameter of the mini-implant and insertion angle to the bone surface. To perform three dimensional finite element analysis, a hexadron of $15{\times}15{\times}20mm^3$ was used, with a 1.0 mm width of cortical bone. Mini-implants of 8 mm length and 1.2 mm, 1.6 mm, and 2.0 mm in diameter were inserted at $90^{\circ},\;75^{\circ},\;60^{\circ},\;45^{\circ},\;and\;30^{\circ}$ to the bone surface. Two hundred grams of horizontal force was applied to the center of the mini-implant head and stress distribution and its magnitude were analyzed by ANSYS, a three dimensional finite element analysis program. The findings of this study showed that maximum von Mises stresses in the mini-implant and cortical and cancellous bone were decreased as the diameter increased from 1.2 mm to 2.0 mm with no relation to the insertion angle. Analysis of the stress distribution in the cortical and cancellous bone showed that the stress was absorbed mostly in the cortical bone, and little was transmitted to the cancellous bone. The contact area increased according to the increased diameter and decreased insertion angle to the bone surface, but maximum von Mises stress in cortical bone was more significantly related with the contact point of the mini-implant into the cortical bone surface than the insertion angle to the bone surface. The above results suggest that the maintenance of the mini-implant is more closely related with the diameter and contact point of the mini-implant into the cortical bone surface rather than the insertion angle.

교정용 미니임플랜트의 직경 및 식립각도에 따른 응력 분포에 관한 3차원 유한요소 분석

본 연구는 고정원 보강을 위하여 사용하는 교정용 미니임플랜트의 직경 및 식립각도에 따른 응력 분포 양상을 알아보기 위하여 시행되었다. 미니임플랜트의 직경 및 피질골 표면에 대한 식립각도에 따른 응력 분포 양상을 관찰하기 위하여 $15{\times}15{\times}20mm^3$의 육면체에서 식립되는 피질골의 두께를 1.0 mm로 하였으며, 미니임플랜트의 길이를 8.0 mm로 고정하고 직경은 1.2 mm, 1.6 mm와 2.0 mm, 식립각도는 피질골 표면에 대해 $90^{\circ},\;75^{\circ},\;60^{\circ},\;45^{\circ}$ 및 $30^{\circ}$인 3차원 유한요소 모델로 제작한 다음, 미니임플랜트 두부중심에 각도 변화 평면에 대하여 수직 방향으로 200 gm의 수평력을 가하여 응력 분포 양상과 크기를 3차원 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 비교하였다. 골에 나타나는 최대 응력은, 식립각도와 무관하게 미니임플랜트의 직경이 증가할수록 응력이 감소하였고, 대부분의 응력이 피질골에서 흡수되었다. 또한 미니임플랜트의 직경이 증가하고 식립각도가 감소함에 따라 피질골과 접촉면적이 유의성 있게 증가하였으나, 피질골에 나타나는 최대응력은 식립각도 보다 피질골 표면과 접촉하는 미니임플랜트 위치가 더 유의한 연관성을 가졌다. 이상의 결과는 미니임플랜트 사용 시 골내 응력 분포는 식립각도의 감소보다는 미니임플랜트 직경 증가와 미니임플랜트와 피질골 표면의 접촉위치가 미니임플랜트의 유지 및 안정성에 영향을 주므로 미니임플랜트의 식립 시 이에 대한 고려가 필요할 것으로 생각된다.