KR101327655B1 - 응력분산형 임플란트 고정체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나사산이 형성되어 골조직에 삽입되는 바디부와, 상기 바디부의 상단에 형성되어 골조직 외부로 노출되는 헤드부로 구성된 응력분산형 임플란트 고정체에 관한 것으로서, 특히 상기 헤드부는 평단면이 원형인 하면에서 평단면이 원형인 상면으로 갈수록 직경이 점점 작아지도록 형성되되, 하면의 직경이 상기 바디부의 상단 직경보다 크게 형성되어 바디부의 상단 테두리에서 수평방향으로 돌출되어, 응력을 사방으로 고르게 분산시켜 임플란트 고정체의 기울어짐과 침하가 감소되어 치조골에 견고하게 고정시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

응력분산형 임플란트 고정체{Implant Fixture for Stress Dispersion}

본 발명은 응력분산형 임플란트 고정체에 관한 것으로서, 특히 응력을 효율적으로 분산시켜 기울어짐과 쳐짐 등을 방지함으로써 치조골에 견고하게 고정시킬 수 있는 응력분산형 임플란트 고정체에 관한 것이다.

일반적으로 임플란트는 본래 인체의 조직이 상실되었을 때 이를 회복시켜 주는 대치물을 의미하지만 치과에서는 인공치아이식을 말한다. 상실된 치아의 치근을 대신할 수 있도록 인체에 거부반응이 없는 티타늄으로 만든 인공치근을 이가 빠져나간 치조골에 심어서 유착시킨 뒤 인공치아를 고정시켜 치아의 원래 기능을 회복하도록 하는 첨단시술이다.

좀 더 부연하면, 치과용 임플란트(mplant)는 치아가 상실된 부분에 티타늄재질로 된 나사형상의 임플란트 고정체(fixture)를 매식하여 일정 기간동안 뼈와 융합되도록 한 후, 그 위에 연결부재인 어버트먼트(abutment)를 결합시키고 그 후 인공치아(crown)등의 보철물을 고정시킴으로써 치아기능을 회복시키는 치과시술을 말한다.

이러한 치과용 임플란트에 사용되고 있는 기존의 임플란트 고정체는 등록실용신안 20-0454191(출원번호:20-2009-0005326, 발명명칭:임플란트 픽스쳐)에 제시된 것처럼 대부분 외주면에 커팅에지가 구비된 나사부가 형성되는 원통형 바디부가 구비된다. 이 나사부가 형성된 원통형 바디부가 회전되어 치조골에 박힌 후 뼈와 융합되어 단단하게 고정이 되어야 하는데, 이식한 인공치아를 장시간 사용하는 경우에는 저작활동에 의한 응력발생에 의해 임플란트 고정체가 치조골과의 유착력이 약해져 재시술이 요구되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에 여러 가지 기술이 제시되어 왔으나 대부분 바디부에 형성되는 나사부의 형태 변경과 표면 처리방식 방식의 변경 등이어서 근본적인 해결적은 되지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 헤드부의 하면 직경을 나선이 형성된 바디부보다 크게 형성시키고 동시에 헤드부의 정단면 형태를 사다리꼴 형태로 구성하여 저작활동에 따른 응력을 효율적으로 분산시켜 치조골에 견고하게 고정시킬 수 있는 응력분산형 임플란트 고정체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체는 나사산이 형성되어 골조직에 삽입되는 바디부와, 상기 바디부의 상단에 형성되어 골조직 외부로 노출되는 헤드부로 구성된 것으로서, 상기 헤드부는 평단면이 원형인 하면에서 평단면이 원형인 상면으로 갈수록 직경이 점점 작아지도록 형성되되, 하면의 직경이 상기 바디부의 상단 직경보다 크게 형성되어 바디부의 상단 테두리에서 수평방향으로 돌출된다.

여기서, 상기 바디부의 상단에서 돌출되는 헤드부 하면의 돌출길이는 0.1~1.0mm이고, 상기 헤드부 하면의 돌출길이와 상기 바디부의 길이 비율은 1:9~11이다.

그리고, 상기 헤드부는 하면과 측면의 연결부분이 둥글게 형성되고, 상면과 측면의 연결부분이 둥글게 형성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 응력분산형 임플란트 고정체는 헤드부의 평단면이 원형으로 형성되어 응력을 사방으로 골고루 분산시킴으로써 임플란트 고정체를 치조골에 견고하게 고정시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 헤드부의 하면 직경이 바디부의 상단 직경보다 크게 형성되므로 헤드부의 하면이 바디부의 상단으로부터 일정 길이가 돌출되고, 이로 인하여 임플란트 고정체의 기울어짐과 침하가 감소되는 이점이 있다.

또한, 헤드부의 하면과 측면 연결부분이 둥글게 형성되므로 헤드부의 돌출된 부분과 접하는 치조골 부분에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 정면도와 평면도.
도 3은 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 실험군(B~F)과 종래기술에 의한 임플란트 고정체의 대조군(A) 모습을 보인 도.
도 4는 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체에 대한 수평변위를 나타낸 그래프.
도 5는 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체에 대한 기울어짐을 보인 도.
도 6은 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체에 대한 최대 침하량을 보인 도.
도 7은 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체를 사용했을 때 해면골에 작용하는 폰 미제스 응력(Von mises Stress)의 크기와 그 변화율을 보인 도.

이하, 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 정면도와 평면도이다.

본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체는 바디부(10)와, 상기 바디부(10)의 상단에 형성되는 헤드부(20)로 구성된다.

상기 바디부(10)는 골조직, 즉 치조골에 매식되어 삽입되는 부분이다. 치조골은 피질골(Cortical Bone)과 해면골(Cancellous Bone)로 이루어져 있는데, 바디부(10)는 이러한 피질골과 해면골에 매식되어 일정 기간동안 융합되고, 그 위에 연결부재인 어버트먼트(Abutment)가 체결된 다음 인공치아 등의 보철물이 고정된다.

상기와 같은 바디부(10)는 대체로 그 형태가 하단은 직경이 좁고 상단으로 갈수록 직경이 점점 커지는 형태를 취하는데, 표면에는 골조직에 견고하게 고정되기 위한 나사산(11)이 형성된다. 바디부(10)에 형성되는 나사산은 종래에 다양한 형태로 제시되어 있기 때문에 여기에서는 바디부(10)의 나사산에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.

상기 헤드부(20)는 상기 바디부(10)의 상단에 형성되어 골조직의 외부로 노출되는 부분으로서, 이 헤드부(20)는 그 직경이 하면(21)에서 상면(22)으로 갈수록 점점 작아지는 형태를 취한다.

좀 더 자세히 설명하면, 상기 헤드부(20)는 하면(21)의 평단면이 원형 형태를 취하고 상면(22)의 평단면도 원형 형태를 취하되, 하면(21)에서 상면(22)으로 갈수록 그 직경이 점점 작아지는 형태를 취한다. 따라서, 헤드부(20)의 측면(23)은 그 정단면이 사다리꼴 형태 또는 그와 유사한 형태를 갖게 된다.

상기 헤드부(20)의 상면(22)과 하면(21)의 평단면이 원형의 형태를 갖게 되면 저작압에 의해 발생되는 응력이 사방으로 용이하게 분산되어 어느 한 곳으로 집중되지 않게 된다.

한편, 상기 바디부(10)의 상단도 원형 형태를 갖는데, 상기 헤드부(20)의 하면(21)이 상기 바디부(10)의 상단보다 그 직경이 크게 형성된다. 따라서, 헤드부(20)의 하면(21)을 포함한 측면(23) 일부분은 상기 바디부(10)의 상단 테두리에서 수평방향으로 돌출된다. 이렇게 상기 바디부(10)의 상단에서 돌출되는 헤드부(20) 하면(21)의 돌출길이(L)는 0.1~1.0mm이다. 좀 더 부연하면, 상기 헤드부(20) 하면(21)의 돌출길이(L)와 상기 바디부(10)의 길이 비율은 1:9~11인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 헤드부(20)는 상면(22)과 측면(23)의 연결부분이 둥글게 형성됨과 아울러 하면(21)과 측면(23)의 연결부분이 둥글게 형성된다.

헤드부(20)의 하면(21)과 측면(23)의 연결부분이 둥글게 형성되면, 피질골(Cortical Bone)과 헤드부(20)의 하면 테두리 부분이 접촉되면서 형성되는 응력을 효과적으로 분산할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 구조적 형상이 유의미한 것인가에 대해 3차원 유한요소 분석(3D Finite Element Analysis)을 이용하여 검토해 보았다.

도 3은 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 실험군(B~F)과 종래기술에 의한 임플란트 고정체의 대조군(A) 모습을 보인 도이다.

도 3에 도시된 것처럼, 분석에 사용된 본 발명의 응력분산형 임플란트 고정체는 총 5가지 타입(B, C, D, E, F)의 실험군으로 설정하였고, 이에 대한 대조군으로는 종래의 임플란트 고정체 한 타입(A)을 설정하였다.

본 발명에 의한 응력분산형 임플라트 고정체의 5가지 타입은 바디부(10)의 상단에서 수평방향으로 돌출되는 헤드부(20) 하면(21)의 돌출길이(L)를 기준으로 분리하였는데, 제1타입(B)은 돌출길이(L)가 1.0mm, 제2타입(C)은 돌출길이(L)가 0.7mm, 제3타입(D)은 돌출길이(L)가 0.5mm, 제4타입(E)은 돌출길이(L)가 0.3mm, 제5타입(F)은 돌출길이(L)가 0.1mm이다.

그리고, 바디부(10)에는 2가지 형태의 나사산이 상부와 하부에 형성되는 것으로 하였는데, 상측에 형성되는 나사산은 피치가 0.4mm 이고 하측에 형성되는 나선은 피치가 0.8mm이다. 또한, 바디부(10)의 길이는 9.7mm, 헤드부(20)의 높이는 0.3mm이고, 0.4mm 피치의 나사산이 형성된 바디부(10) 길이는 2.8mm, 0.8mm 피치의 나사산이 형성된 바디부(10)의 길이는 6.9mm이며, 바디부(10)의 상단 직경은 3.0mm이다. 또한, 헤드부(20) 상면(22)의 직경은 3.3mm이고, 상면(22)과 하면(21)의 높이차는 0.3mm이다.

대조군으로 사용된 종래의 임플란트 고정체 타입(A)은 바디부(10)의 상단에서 헤드부(20)가 수평방향으로 전혀 돌출되지 않았다는 것이 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체와 가장 크게 다른 점이다.

한편, 분석에 사용되는 임플란트 고정체는 티타늄으로 제조된 것으로 하였고, 매식각은 치조골에 대하여 10도 각도로 기울어진 것으로 하였으며, 저작압은 300N으로 특정하였다.

상기와 같은 조건들을 통하여 임플란트 변형과 치조골에 미치는 영향 등에 대한 분석을 실시하였다.

[임플란트 고정체의 변형 분석]

도 4는 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체에 대한 수평변위를 나타낸 그래프이며, 도 4에서 나타난 바와 같이 같은 하중에 대하여 종래 임플란트 고정체의 모형인 A Type이 B~F 타입에 비해 수평변위가 크게 발생하였으며, 또한 기울어짐 정도가 크게 나타났다.

도 5는 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체에 대한 기울어짐을 보인 도, 즉 A 타입과 B~F 타입에 대하여 기울어짐을 나타낸 것인데, 기울어짐은 헤드부(20)의 돌출길이(L)가 길어질수록 그 정도가 감소하는 것으로 해석되었다. 따라서, 헤드부(20)의 하면 돌출 부분이 임플란트 고정체를 치조골에 고정하는 효과가 있는 것으로 나타났다.

[표 1]은 B ∼ F 타입과 A 타입에 대한 바닥부의 변위(Displacement) 및 상단부의 변위 값과 기울어짐(Tilt)에 대한 결과를 나타낸 것이다. 최대 변위와 최대의 기울어짐은 종래 임플란트 고정체 모형인 A 타입에서 나타나는 것으로 보여준다. 반면, 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체에서 돌출길이(L)가 1.0 mm인 B 타입의 경우에 최소인 것으로 나타났다.

임플란트 고정체의 기울어짐과 변위(단위:mm)

Items		본 발명에 의한 임플란트 고정체의 실험군					A 타입
		B 타입	C 타입	D 타입	E 타입	F 타입
기울어짐(Tilt)		3.390E-04	3.709E-04	4.407E-04	4.957E-04	5.289E-04	5.776E-04
변위(Displacement)	바닥부 (bottom}	5.453E-04	6.378E-04	6.971E-04	7.157E-04	7.377E-04	7.842E-04
	상단부 (top)	-2.845E-03	-3.071E-03	-3.710E-03	-4.241E-03	-4.551E-03	-4.992E-03

[표 2]는 수직하중에 대하여 발생된 임플란트 고정체의 침하량(Settlement)을 나타낸 것으로, 종래 임플란트 고정체의 형태인 A 타입에서 가장 큰 침하량이 발생하였으며, 헤드부(20)의 돌출길이(L)가 길어짐에 따라 침하량이 감소되는 것을 보여준다.

임플란트 고정체의 침하량(단위:mm)

Items	본 발명에 의한 임플란트 고정체의 실험군					A 타입
	B 타입	C 타입	D 타입	E 타입	F 타입
침하량 (Settlement)	1.314E-02	1.348E-02	1.376E-02	1.406E-02	1.427E-02	1.534E-02

도 6은 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체에 대한 최대 침하량을 보인 도로서, 그래프 상에서 헤드부(20)의 돌출길이(L)가 감소할수록 침하된 변위가 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 헤드부(20)의 돌출된 부분이 치조골에 매식된 임플란트 고정체의 탈락 억제에 효과가 있음을 알려주는 것이다. 종래의 임플란트 고정체인 A 타입과 비교하였을 때 헤드부(20)의 돌출된 부분이 있는 임플란트 고정체(B~F)의 침하억제 효과가 큰 것으로 보아, 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체가 구조상 종래의 임플란트 고정체인 A 타입보다 우월하다는 것으로 판단된다.

[치조골의 응력 분석]

[표 3]은 해면골에 작용하는 등가응력(Equivalent Stress) 즉 폰 미제스 응력(Von mises Stress)을 나타낸 것이다.

해면골에 작용하는 등가응력(단위 : MPa).

Items	본 발명에 의한 임플란트 고정체의 실험군					A 타입
	B 타입	C 타입	D 타입	E 타입	F 타입
해면골	4.841	6.246	7.49	14.5	14.8	14

도 7은 도 3에 도시된 각각의 임플란트 고정체를 사용했을 때 해면골에 작용하는 폰 미제스 응력(Von mises Stress)의 크기와 그 변화율을 보인 도로서, [표 3]에 보인 데이터를 그래프로 표시한 것이다. [표 3]과 [도 7]을 보면 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체(B~F 타입)와 종래의 임플란트 고정체(A 타입)를 사용하였을 때 해면골에 나타난 응력의 크기는 B ~ D 타입에서 작게 나타났고, E 타입, F 타입과 A 타입에서 좀 더 크게 나타났다.

상기와 같은 3차원 유한요소 분석을 수행한 결과 임플란트 고정체의 변형과 치조골에 미치는 영향을 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 헤드부(20)의 돌출길이(L)가 길어짐에 따라 임플란트 고정체의 침하와 기울어짐은 감소하여 치조골로부터 임플란트 고정체의 탈락을 방지하는 효과가 큰 것으로 나타났다.

둘째, 본 발명에 의한 응력분산형 임플란트 고정체의 헤드부(20) 돌출길이(L)가 길어질수록 해면골에 작용되는 응력의 크기는 작아진다. 이렇게 해면골에 작용하는 응력의 크기가 작아지면 해면골과 임플란트 고정체의 일체화가 촉진되어 치료를 한 후 빠른 시간 내에 임플란트 고정체가 해면골에 유착될 수 있도록 한다.

물론, [표 5]와 [도 7]에서 볼 수 있듯이 E 타입과 F 타입은 A 타입에 비하여 오히려 응력의 크기가 크지만, 그 응력차이는 극히 미미할 뿐만 아니라 임플란트 고정체의 기울어짐과 침하에 있어서 B 타입과 F 타입이 A 타입에 비하여 월등한 성능을 갖고 있음을 감안해볼 때 E 타입과 F 타입도 충분히 그 기술적 의미가 있다고 할 수 있다.

10: 바디부 11: 나사산
20: 헤드부 21: 하면
22: 상면 23: 측면
L: 돌출길이

Claims (5)

1. 나사산(11)이 형성되어 골조직에 삽입되는 바디부(10)와, 상기 바디부(10)의 상단에 형성되어 골조직 외부로 노출되는 헤드부(20)로 구성된 임플란트 고정체에 있어서,
   상기 헤드부(20)는 평단면이 원형인 하면(21)에서 평단면이 원형인 상면(22)으로 갈수록 직경이 점점 작아지도록 형성되어 그 정단면이 사다리꼴 형태를 가지며,
   하면(21)의 직경이 상기 바디부(10)의 상단 직경보다 크게 형성되어 바디부(10)의 상단 테두리에서 수평방향으로 돌출되되, 상기 바디부(10)의 상단에서 돌출되는 헤드부(20) 하면(21)의 돌출길이(L)는 0.5~1.0mm인 것을 특징으로 하는 응력분산형 임플란트 고정체.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 헤드부(20) 하면(21)의 돌출길이(L)와 상기 바디부(10)의 길이 비율은 1:9~11인 것을 특징으로 하는 응력분산형 임플란트 고정체.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 헤드부(20)는 하면(21)과 측면(23)의 연결부분이 둥글게 형성된 것을 특징으로 하는 응력분산형 임플란트 고정체.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 헤드부(20)는 상면(22)과 측면(23)의 연결부분이 둥글게 형성된 것을 특징으로 하는 응력분산형 임플란트 고정체.

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