교정용호선의단면형태와 브라켓종류에따른마찰력평가 지도박영철교수 이논문을석사학위논문으로제출함 2012 년 6 월 연세대학교대학원 치의학과 손광일

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1 교정용호선의단면형태와 브라켓종류에따른마찰력평가 연세대학교대학원 치의학과 손광일

2 교정용호선의단면형태와 브라켓종류에따른마찰력평가 지도박영철교수 이논문을석사학위논문으로제출함 2012 년 6 월 연세대학교대학원 치의학과 손광일

3 손광일의석사학위논문을인준함 심사위원 심사위원 심사위원 인 인 인 연세대학교대학원 2012 년 6 월

4 감사의글 논문이완성되기까지따뜻한배려와함께세심한지도와격려로이끌어주신박영철지도교수님께진심으로감사드리며, 귀중한시간을내주시어많은관심과조언으로지도해주신손홍범선생님, 차정열교수님께깊이감사드립니다. 또한교정학을공부할수있도록기회를주시고교정과의사로거듭날수있도록인도해주신백형선교수님, 황충주교수님, 김경호교수님, 유형석교수님, 이기준교수님, 정주령교수님, 최윤정교수님께도감사드립니다. 저의논문을위해서도움을많이준김남규기공사님을비롯하여교정과수련생활의큰힘이되어준의국동기들과 ( 강다영, 김성진, 유성훈, 이다혜, 이희선 ) 의국선배님, 후배들, 특히김성아, 이영우선생에게감사의마음을전합니다. 마지막으로언제나변함없이사랑으로지켜봐주시고격려해주시는부모님과항상옆에서힘이되는동생광식이에게감사드리며, 저를믿어주고도와주신많은분들과이작고소중한기쁨을함께나누고자합니다 년 6 월저자씀

5 차 례 표차례 ⅲ 그림차례 ⅳ 국문요약 ⅴ Ⅰ. 서론 1 Ⅱ. 연구재료및방법 5 1. 연구재료 5 2. 연구방법 6 1) 시편제작 6 (1) wire 시편 6 (2) bracket 시편 6 (3) 시편고정 7 (4) 결찰방법 8 2) 실험군의분류및마찰력의측정 8 3) 통계처리 10 Ⅲ. 연구결과 wire에따른 bracket 별마찰력 13 1) Damon Q와 Clippy C bracket의비교 13 2) Metal bracket과 ceramic bracket의비교 Moment에따른 bracket 별마찰력 13 1) Damon Q와 Clippy C bracket의비교 13 2) Metal bracket과 ceramic bracket의비교 Moment에따른 wire별마찰력 15 i

6 1) Damon Q 와 Clippy C bracket 의비교 15 2) Metal bracket 과 ceramic bracket 의비교 15 Ⅳ. 고찰 Moment 증가에따른마찰력의변화 Wire geometry에따른마찰력비교 Bracket에따른마찰력비교 22 Ⅴ. 결론 24 참고문헌 26 영문요약 30 ii

7 표차례 Table 1. Tested Materials 5 Table 2. Mean static friction and standard deviation (Unit : gf) 12 Table 3. Evaluation of the interaction of bracket, wire, moment in regard to friction using three-way ANOVA (Comparison between Damon Q and Clippy C) 16 Table 4. Evaluation of the interaction of bracket, wire, moment in regard to friction using three-way ANOVA (Comparison between metal and ceramic bracket) 17 iii

8 그림차례 Figure 1. OM images of tested wires 6 Figure 2. Tested bracket-wire assembly and universal testing machine 9 Figure 3. Estimated marginal distribution of friction according to the different wire shape and size(comparison between Damon Q and Clippy C) 16 Figure 4. Estimated marginal distribution of friction according to the different wire shape and size(comparison between metal and ceramic bracket) 17 iv

9 국문요약 교정용호선의단면형태와 브라켓종류에따른마찰력평가 교정치료에서브라켓에교정용호선을결찰함으로써발생하는마찰력은치아이동을방해하는힘으로작용한다. 초기의치아배열단계나활주역학을이용하여공간폐쇄를하는경우에는낮은마찰력이유리하다. 본연구는마찰력감소를위해새롭게고안된호선의마찰력을기존의각형호선의마찰력과비교함으로써호선의단면형태와브라켓의종류가마찰력에미치는영향을알아보고자하였다. 마찰력의평가를위해브라켓은 passive slide형태의자가결찰브라켓 (Damon Q), active clip형태의자가결찰브라켓 (Clippy C), 메탈브라켓, 세라믹브라켓을사용하였고, 호선은.018 x.022 SS,.018 x.025 SS, D shaped.018 x.025 SS 를사용하였다. 브라켓슬롯내에서교정선을이동시킬떄협설측평면에서각각 0, 200, 400, 600, 800, 1000 g mm 의모멘트를부여하여만능시험기상에서이동시켜그때의정지마찰력을측정하였고, 다음과같은결과를얻을수있었다. 1. 모멘트가증가함에따라마찰력이통계적으로유의하게증가하였다 (p<0.05). 2. 세라믹브라켓과메탈브라켓에서는.018 x.022 SS,.018 x.025 SS 에 비해 D shaped.018 x.025 SS 에서낮은마찰력이발생하였다 (p<0.05). v

10 3. Damon Q 에서는호선에따른마찰력차이가관찰되지않았으나, Clippy C 에서는다른두호선에비해.018 x.022 SS 에서낮은마찰력이 발생하였다 (p<0.0001). 4. 작은모멘트 (0, 200, 400 g mm) 에서는 Damon Q 에비해 Clippy C 에서 마찰력이통계적으로유의하게높았으며, 모멘트증가에따른마찰력증가 양상은 Damon Q 에비해서 Clippy C 에서작게나타났다 (p<0.01). 본연구를통해, 호선의크기뿐만아니라단면형태, 브라켓재질및디자인의차이가마찰력에영향을줄수있음을알수있었다. 새롭게고안된교정용호선 (D shaped.018 x.025 SS) 은메탈브라켓이나세라믹브라켓에서강선결찰을시행하는경우에마찰력감소의효과가나타남을확인할수있었고, 자가결찰브라켓에서 clip의디자인에따른마찰력변화양상에차이가있음을확인하였다. 따라서교정치료시적절한브라켓과호선의조합을통하여마찰저항을줄이고치료의효율성을높이도록해야할것이다. 핵심되는말 : 마찰력, 호선의단면형태, 자가결찰브라켓, 결찰, 새로운호선 vi

11 교정용호선의단면형태와 브라켓종류에따른마찰력평가 < 지도교수 : 박영철 > 연세대학교대학원치의학과 손광일 Ⅰ. 서론 교정치료에서치아의이동은브라켓에호선을결찰함으로써이루어지는데, 이때브라켓과호선, 결찰재사이에서마찰력이발생한다. 마찰력은치아이동을방해하는힘으로작용하며 (Nanda, 1996) 정지되어있는물체를움직이게하는최소한의힘인정적마찰력과일정속도로움직이는물체에서그이동을유지하기위해필요한힘인동적마찰력으로나뉘어진다. 초기의치아배열단계나발치치료에서활주역학을이용하는경우에는낮은마찰력이유리하다 (Burrow, 2009). 높은마찰력이발생할경우교정력의소실로치아이동속도가감소되고, 치아이동을위해더큰힘을부여하게되면호선의변형이심해져원치않는부작용을초래할수있다. 따라서적절한마찰력의 1

12 조절로최적의힘을얻기위해서는브라켓과호선, 결찰재사이의마찰력을이해하는것이중요하며 ( 최등, 2006), 이를통해치료효과를향상시키고, 치료기간을단축시킬수있다 ( 이등, 2007). 교정력이가해지면치아는경사와직립을반복한다. 이과정에서발생하는마찰 (Friction), 결속 (binding), 홈 (notching) 이활주 (sliding) 를방해하는요소로작용하여마찰저항을유의하게증가시키는데, 이러한현상은 first order, second order 또는두가지상황모두에서발생할수있다 (Kusy and Whitley, 1999; Reznikov 등, 2010). 마찰력에영향을주는요소로는브라켓과호선의재질, 호선의표면상태, 브라켓슬롯크기, 호선의단면형태, 결찰방식, 인접브라켓간의거리, 타액유무, 구강내상태등이있다 (Nanda, 1996). 최등 (2006) 은다양한세라믹브라켓의마찰력을기존의다른브라켓과비교한연구에서메탈브라켓, 메탈슬롯이삽입된세라믹브라켓, 단결정세라믹브라켓순으로마찰력이증가한다고하였다. 호선의재질에따른연구에서 Drescher 등 (1989) 은 SS, NiTi, TMA 순으로마찰력이증가한다고하였으나, Cacciafesta 등 (2003) 의연구에서는 SS와 NiTi 사이의마찰력에는유의한차이가없다고하였다. 호선의크기 (wire size) 와단면형태에대한연구에서 Kalhon 등 (2010) 과 Sims 등 (1993) 은크기가증가할수록마찰력이증가하고, Buzzoni 등 (2011) 은각형호선이원형호선에비해마찰력이크다고하였다. 결찰 (Ligation) 과관련한연구에서 Hain 등 (2003) 은마찰력에있어서결찰방법이중요한역할을한다고하였으나 Thorstenson과 Kusy의연구에서는 (2002a, 2002b) second order angulation이임계접촉각을넘어서면 2

13 결속 (binding) 이발생하여결찰방법에따른결찰력의차이는상쇄된다고하였다. 최근까지도자가결찰브라켓 (self-ligating bracket) 의개발, 새로운결찰방법의소개, 새로운호선의개발등치아이동을방해하는마찰력을줄이기위한노력이계속되고있다 (Fortini 등, 2005; Krishnan 등, 2009). 자가결찰브라켓은기존의브라켓에비해마찰력이작다고알려져있으나 (Cordasco 등, 2009; Griffiths 등, 2005; Pizzoni 등, 1998; Voudouris 등, 2010) Thorstenson과 kusy 등 (2002a) 은단지브라켓-호선각도가 0 일때에만마찰력감소효과가있고일단결속 (binding) 이일어나면기존의브라켓과큰차이가없다고보고하였고, Heo 와 Baek(2011) 은자가결찰브라켓에서 facial wall (sliding door 또는 clip) 의구조적차이로인해초기배열단계의수직적변위와수평적변위에따라마찰적특성이차이가난다고하였다. 또한자가결찰브라켓의 clip 디자인은활주역학단계에서도마찰력의크기에영향을미칠수있다 (Reznikov 등, 2010). Fortini 등 (2005) 은 Leone slide ligation이활주역학에서기존의탄성결찰재보다낮은마찰력이나타난다고보고하였다. 또한 Speed 브라켓 (Strite Inc. Cambridge, Ontario, Canada) 에서사용되는 D wire는정사각형호선의절반을원형으로제작하여활주역학시마찰력을감소시키고자하였으나기존의메탈브라켓이나세라믹브라켓에서사용할경우토크 (torque) 의발현이어렵고, 호선의치열궁형태가좁아악궁이넓은환자에서사용하기는어렵다. 이제까지의브라켓과호선, 결찰재사이에서발생하는마찰에대해서는주로 second order 방향에서의연구가대부분이며, 치아배열및전치치군의 3

14 후방이동중에실제적으로많은영향을끼치는 first order 방향에서의연구는미미하였다. 따라서본논문에서는다양한브라켓과호선사이에서발생하는 first order방향에서의마찰발생에대해서평가하고자하였다. 또한마찰력을감소시키기위해원형호선이각형호선보다마찰력이작다는사실에근거하여새로운단면형태의호선 (D shaped.018 x.025 SS wire - Dae seung medical, Seoul, Korea) ; 기존의각형호선에서결찰재또는자가결찰브라켓의 clip과접하는방향을원형으로제작 ; 를고안하였다. 이에본연구를통해새롭게제작된호선을이용하여마찰력을평가함으로써호선의단면형태와브라켓종류에따른마찰력차이를평가하고자한다. 4

15 Ⅱ. 연구재료및방법 1. 연구재료 이번실험에사용된브라켓은 슬롯의상악우측소구치용브라켓으로 passive type의자가결찰브라켓인 Damon Q(Ormco, CA, USA), active type의자가결찰브라켓인 Clippy-C(Tomy, Tokoy, Japan), 메탈브라켓 (Dae seung, Seoul, Korea), 세라믹브라켓 (Dae seung, Seoul, Korea) 네종류를사용하였다마찰력을측정하기위해.018 x.022 SS,.018 x.025 SS 호선과새로디자인된반원형각형호선 (D shaped.018 x.025, Dae Seung) 세종류를사용하였다. 결찰재로는 stainless steel 결찰선을사용하였다. (Table 1). Table 1. Tested Materials Materials Specification Manufacturer Dimensions (inches) prescription Angulation Torque Metal (metal ligation) Dae Seung, Korea Bracket Ceramic (metal ligation) Dae Seung, Korea Clippy C (self-ligatoin) Tomy Inc, Japan Damon Q (self-ligation) SDS Ormco, USA Stainless steel.018 x.022 Wire Stainless steel.018 x.025 Stainless steel D shaped.018 x. 025 Ligature Stainless steel

16 2. 연구방법 1) 시편제작 (1) Wire 시편 직선의호선을 60 mm 가되도록잘라서사용하였다. 새롭게디자인된호선의 단면을기존의각형호선과비교하여 Figure 1 에나타내었다. Figure 1. OM images of tested wires ; magnification, 4.5 times. A : Cross-sectional surface of the D-shaped.018 x. 025 SS wire B : Outer surface of the D-shaped.018 x. 025 SS wire C : Cross-sectional surface of rectangular wire (.018 x.025 SS) D : Outer surface of the rectangular wire (.018 x.025 SS) (2) bracket 시편 호선의단면형태에따른마찰력의차이를평가하기위하여장치를제작하였다 (Figure 2). 사각형의알루미늄블록에 (20 mm x 30 mm x 20 mm) 세개의브라켓을위치시킬수있도록 stainless steel 막대를연결하고, 가운데위치한막대에는베어링을삽입하여회전될수있도록하였다. 뒤쪽으로연결된막대의끝에추를 6

17 매달아힘을적용시켜브라켓에일정한모멘트 (moment) 가가해질수있도록하였다 (Figure 2-A, B). 막대표면에 metal primer(reliance TM, Reliance Ortho Prod. Inc., Illinois, U.S.A) 를도포하고 1분간기다린뒤브라켓베이스 (base) 와 stainless steel 막대표면에 Transbond XT TM primer(3m Unitek, California, U.S.A) 를바르고 광중합기 (Flipo TM, Label France, Lyon Cedex, France) 로 3 초간조사하였다. 브라켓베이스에 Transbond XT TM paste(3m Unitek, California, U.S.A) 를 바르고.021 x.025 SS(full size guiding wire) 와 Transfer jig를이용하여막대에위치시킨뒤 10초간광중합기로조사하였다. 브라켓간거리는브라켓중심에서 8.5 mm 떨어진곳에위치시켰고, 이것을인접브라켓의위치로간주하였다. 또한장치의상단에중앙을지나는수직선과수평선을표기하여위치선정에도움이되게하였다 (Figure 2-A). (3) 시편고정 브라켓이접착된장치는만능시험기 (Universal Testing Machine, Instron R 3366, Instron Corp. Massachusetts, U.S.A.) 에고정된이동식고정틀에의해고정시켰다. 60 mm 길이의호선한쪽끝부분을만능시험기의 tension load cell에삽입하고고정시켰다. 만능시험기상부의호선이삽입된부위에는회전될수있는링을추가하여호선과브라켓슬롯사이에발생할수있는부가적인토크의발생을배제하도록하였다. 메탈브라켓은 stainless steel 결찰선을이용하여결찰하였다 (Figure 2-B, C). 7

18 (4) 결찰방법.021 x.025 SS 호선 (full size guiding wire) 으로세개의브라켓사이의수동적상태 (passivity) 를확인하고, 시편호선을삽입한후결찰하였다. 각각의시편에대해 호선을시편 SS 호선에덧대고그위를 stainless steel 결찰선으로견고하게결찰하였다. 결찰후 호선은빼내어느슨한결찰상태가되도록하여 (Meling et al., 1997) 호선에가해지는결찰력의영향이없도록하였다. 2) 실험군의분류및마찰력의측정 브라켓의종류와결찰방법, 부여한모멘트에따라 72개의조건으로나누었다 (Table 2). 가운데막대와뒤쪽으로연결되어있는막대의중심에서 40 mm 떨어진곳 (Figure 2-a) 에 5 g, 10 g, 15 g, 20 g, 25 g의추를매달아각각 200, 400, 600, 800, 1000 g mm의모멘트를부여한후만능시험기를이용하여 load cell 500 N, cross head speed 5 mm/min으로호선을이동시켰다. 하중-변위곡선에서이동초기의최대마찰력을정적마찰력으로기록하였고각실험군마다 9회의마찰력을측정하여가장큰마찰력과가장작은마찰력을제외하고평균값을구하였다. 8

19 Figure 2. Tested bracket - wire assembly and universal testing machine A, B : Tested bracket - wire assembly C : Universal testing machine to measure the frictional forces a. Loading point b. Positioning zig c. Metal bar bearing d. Outer frame e. Balancing rod 9

20 실험을진행하기전각호선과브라켓은 95% 에탄올로닦아낸후 air 로 건조시켰고, 모든실험은 30 도의건조상태에서동일한한사람에의해 진행되었다. 3) 통계처리 각군에서측정된정적마찰력의평균과표준편차를계산하였으며, 브라켓의종류, 모멘트의증가, 호선의단면형태가마찰력에미치는효과를평가하기위해일원배치분산분석 (One-way ANOVA) 및사후검정 (Tukey test) 을시행하였고, 세가지변수간의교호작용효과를분석하기위하여삼원배치분산분석 (Threeway ANOVA) 후다중비교 (Tukey test) 를시행하였다. 유의수준을 0.05로하여통계적인가설검정을시행하였다. 10

21 Ⅲ. 연구결과 실험에서측정된정적마찰력의펑균값과표준편차를 Table 2에나타내었다. 삼원배치분산분석에서브라켓종류, 호선의종류및모멘트증가에대한 3차교호작용효과를고려하였지만통계적으로유의하지않아본연구에서는 2차교호작용까지적용한결과를제시하였다. 또한결찰력의영향을최소로하기위해강선결찰은느슨하게시행하였기때문에임상적인상황을고려하여자가결찰브라켓군과강선으로결찰한메탈, 세라믹브라켓군으로나누어서적용하였다 (Table 3, 4). 실험된모든브라켓과호선간의마찰력비교결과, 모든브라켓-호선조합에서모멘트가증가할수록마찰력이증가하였다 (Table 2). Damon Q와 Clippy C에대하여삼원배치분산분석을적용한결과, 평균정적마찰력은브라켓종류와호선의종류에서교호작용을보였고, 브라켓종류와모멘트의증가에따라서도교호작용효과가있는것으로나타났다 (p < ). 그러나호선의종류와모멘트증가에따른교호작용효과는없었다 (Table 3, Figure 3). 메탈브라켓과세라믹브라켓에대한삼원배치분산분석결과, 평균정적마찰력은브라켓종류와모멘트의증가, 호선의종류와모멘트증가에따라서교호작용효과를보였다 (p<0.0001). 브라켓종류와호선의종류에대한교호작용효과는없었다 (Table 4, Figure 4). 11

22 Table 2. Mean static friction and standard deviation (Unit : gf)` D shaped 018 x 025 SS(A) 018x022 SS(B) 018x025SS(C) Bracket moment n Mean SD Mean SD Mean SD Tukey test Damon Q NS A < B, A < C NS NS NS NS Clippy C B < A < C B <A, C B <A, C B <A, C B <A, C B <A, C Ceramic NS A < B A < B A < B A < B, C A < B, C Metal NS A < B, C A < B, C A < B, C A < B, C A < C < B gf: gram force n : number of brackets SD : standard deviation NS : not significant 12

23 1. Wire 에따른 bracket 별마찰력 1) Damon Q 와 Clippy C bracket 의비교 (Table 3, Figure 3) Clippy C 에서는 D shaped.018 x.025 SS 및.018 x.025 SS 에서크기와증가양상이비슷하지만,.018 x.022 SS에서는모멘트에상관없이마찰력이작았다. Damon Q에서는세종류의호선에서마찰력의크기와증가양상이유사하였다. 2) Metal bracket 과 ceramic bracket 의비교 (Table 4, Figure 4) 호선종류와브라켓의종류는교호작용효과가없는것으로나타나각호선에서 브라켓의종류따라마찰력이일관된양상으로증가하는것으로볼수있다. 2. Moment 에따른 bracket 별마찰력 1) Damon Q 와 Clippy C bracket 의비교 (Table 3, Figure 3) 모멘트에따른브라켓별마찰력증가폭이다르게나타났다. Damon Q 에서 호선의종류에상관없이모멘트가증가함에따라마찰력증가량이 Clippy C 에 비해크게증가함을알수있고, Clippy C 에서마찰력은상대적으로작은 13

24 증가량을보이고있다. 또한 Clippy C에서모멘트가 0 g mm일때 D shaped.018 x.025 SS 및.018 x.025 SS의마찰력은 Damon Q의모든호선에대해높은마찰력을보이고있지만, 모멘트가 1000 g mm인지점에서는거의비슷하거나줄어드는양상이나타났다. D shaped.018 x.025 SS 에서는모멘트가 0, 200, 400 g mm인경우에 Damon Q에서 Clippy C에비해유의하게작은마찰력이관찰되었고, 높은모멘트 (600, 800, 1000 g mm) 에서는유의한차이가없었다..018 x.022 SS 에서는모멘트가 0인경우에 Damon Q에서 Clippy C에비해마찰력이유의하게낮았고, 모멘트가 200 g mm 인경우에는유의한차이가없었으며, 모멘트가 400, 600, 800, 1000 g mm 인경우에는 Damon Q의마찰력이 Clippy C보다더컸다..018 x.025 SS 에서는모멘트가 0, 200, 400 g mm 인경우에 Damon Q에서의마찰력이 Clippy C에비해유의하게작았고, 모멘트가 600, 800, 1000 g mm 인경우에는 Damon Q와 Clippy C사이의유의한차이가관찰되지않았다. 2) Metal bracket 과 ceramic bracket 의비교 (Table 4, Figure 4) 모든경우에서메탈브라켓의마찰력이세라믹브라켓에비해유의하게 마찰력이작았다. 또한모멘트의증가에따라메탈브라켓보다세라믹브라켓의 마찰력증가폭이더크게나타났다. 14

25 3. Moment 에따른 wire 별마찰력 1) Damon Q 와 Clippy C bracket 의비교 (Table 3, Figure 3) 모멘트에따른호선별마찰력증가양상은교호작용효과가없어각호선에서 모멘트의증가에따라마찰력이일관된양상으로증가하는것으로볼수있다. 2) Metal bracket 과 ceramic bracket 의비교 (Table 4, Figure 4) 모멘트가증가함에따라메탈브라켓과세라믹브라켓에서 D shaped.018 x.025 SS 의마찰력이가장낮게측정되었다. 세라믹브라켓에서는모멘트가 200, 400, 600 g mm일경우에 D shaped.018 x.025 SS 의마찰력이.018 x.022 SS 보다작았고, 모멘트가 800, 1000 g mm 일경우에 D shaped.018 x.025 SS 의마찰력이.018 x.022 SS,.018 x.025 SS보다작게나타났다. 메탈브라켓에서는모멘트가 0일경우를제외하고모든경우에 D shaped.018 x.025 SS 의마찰력이.018 x.022 SS,.018 x.025 SS에비해작았다..018 x.022 SS와.018 x.025 SS 사이의유의성있는차이는관찰되지않았다. 15

26 Table 3. Evaluation of the interaction of bracket, wire, moment in regard to friction using three-way ANOVA (Comparison between Damon Q and Clippy C) Source DF Sum of squares Mean Square F Value Pr > F Bracket <.0001 Wire <.0001 Moment <.0001 Bracket * Wire <.0001 Bracket * Moment <.0001 Wire * Moment Friction (gf) Moment (g mm) clippy-c :D shaped 018 x 025 SS clippy-c : 018 x 022 SS clippy-c : 018 x 025 SS damon Q : D shaped 018 x 025 SS damon Q : 018 x 022 SS damon Q : 018 x 025 SS Figure 3. Estimated marginal distribution of friction according to the different wire shape and size (Comparison between Damon Q and Clippy C) 16

27 Table 4. Evaluation of the interaction of bracket, wire, moment in regard to friction using three-way ANOVA (Comparison between metal and ceramic bracket) Source DF Sum of squares Mean Square F Value Pr > F Bracket <.0001 Wire <.0001 Moment <.0001 Bracket * Wire Bracket * Moment <.0001 Wire * Moment < Friction (gf) Moment (g mm) ceramic : D shaped 018 x 025 SS ceramic : 018 x 022 SS ceramic : 018 x 025 SS metal : D shaped 018 x 025 SS metal : 018 x 022 SS metal : 018 x 025 SS Figure 4. Estimated marginal distribution of friction according to the different wire shape and size (Comparison between metal and ceramic bracket) 17

28 Ⅳ. 고찰 브라켓슬롯에호선이삽입되면교정력이치아에가해지고이때호선과브라켓, 결찰선사이에서마찰력이발생하는데, 마찰력으로인해 12~60% 의교정력손실이발생할수있다 (Kusy와 Whitley, 1999). 교정치료에서적절한힘은빠른치아이동, 환자의불편감감소, 최적의생물학적인조직반응 ( 치주인대의괴사및간접흡수의감소 ) 에중요하다. 따라서치아이동시최적의힘을얻는것이중요하며, 이를위해마찰력에대한이해가필요하다 ( 최등, 2006). 본연구는 4 가지종류의브라켓에서새롭게디자인된호선 (D shaped.018 x.025 SS) 과기존의각형호선과의마찰력차이를비교함으로써호선의단면형태와브라켓종류가마찰력에미치는영향을평가하고, 실제임상에서의적용여부를확인하기위해진행되었다. 새롭게디자인된호선은.018 x.025 SS 각형호선에서결찰재와접하는부위또는자가결찰브라켓에서 clip에접하는부위를원형으로처리하여제작되었기때문에본연구는 first order(buccolingual plane) 에서발생하는마찰력을측정하는것으로계획하였다. 현재까지의마찰력에대한연구는주로 second order(incisogingival binding) 의관점에서진행되었으나, 치아이동시발생하는결속 (binding) 과홈 (notching) 은경사 (tipping) 뿐만아니라회전 (rotation) 에의해서도발생할수있기때문에 first order의관점에서진행된본연구는임상적으로의미가있을것으로생각된다. 교정력에의한치아의이동시에와이어가휘어지는것은인접브라켓에수직항력을발생시키고, 그결과마찰력을생성시키는데, 그크기는와이어를구부린힘의세기와관련이있다 (Meling 등, 1997). 일정한변위량또는일정한 18

29 각도를부여하여마찰력을측정한기존의연구에서는호선의탄성계수에따라같은변위량에서도호선과브라켓에발생하는수직항력의크기가달라지게되어마찰력의크기에영향을미치게된다. 따라서본연구는호선에일정한모멘트를부여함으로써호선의변위량은달라지더라도호선에동일한수직항력이가해지는상황에서마찰력이측정될수있도록계획하였다. 여기에탄성재나강선결찰역시부가적인마찰력을발생시킬수있다. 결찰 (ligation) 에의해가해지는수직항력은마찰저항에중요한영향을미치는데, 그힘의크기는 50~300 g까지다양하다고하였다. 특히강선결찰은술자의숙련도에따라강하게또는약하게결찰될수있고너무강하게결찰할경우탄성재보다더큰마찰력을보일수있다고하였다 (Nanda, 1996). 따라서본연구에서는결찰을느슨하게시행함으로써호선에부가적인수직항력이가해지지않도록하였다. 또한실제임상에서발생할수있는모멘트를고려하면, 협설측너비가 8 mm인견치, 9 mm인소구치에 100~150 g의힘이가해질경우, 브라켓의높이 ( 약 1 mm) 까지고려하였을때 first order 방향으로견치에서는 500~750 g mm, 소구치에서는약 550~825 g mm정도의모멘트가발생할것으로생각할수있다. 따라서본실험은부여한모멘트의크기를 0~1000 g mm로설정하였고, 교정적인치아이동은호선을따라움직이는연속적인움직임이거의일어나지않는준정적열역학과정을따르기때문에 (Burrow, 2009) 본실험에서는호선이움직이기시작한시점에서의최고값인최대정지마찰력만을측정하였다. 19

30 1. Moment 증가에따른마찰력의변화 본연구에서는모멘트의증가에따라마찰력이통계적으로유의하게증가하였다. 이는기존의여러연구와유사한결과로, 최등 (2006) 과 Nishio 등 (2004) 은브라켓슬롯과호선이이루는각도를 0, 10 로부여하였고, 장등 (2011) 은브라켓슬롯과호선이이루는각도를 0, 3, 6, 9 로부여하여마찰력을측정한실험에서브라켓 호선의각도가증가함에따라마찰력이높아진다고하였다. 또한 Heo와 Baek(2011), Reznikov 등 (2010) 도 first order에서협설측으로변위량이증가할수록마찰력이높아진다고하였다. Second order에서각도가증가하거나 first order에서변위량이증가하면호선이변형되는정도가커질뿐만아니라결속 (binding) 과홈 (notching) 이발생하면서마찰력이급격하게증가하게된다. 본연구에서도모멘트가증가함에따라호선에가해지는수직항력이커지게되고, 호선이변형되는정도가증가함에따라발생하는반작용도커지게되어마찰력이증가하는것으로생각할수있다. 2. Wire geometry 에따른마찰력비교 본연구에서소개된새로운호선 (D shaped.018 x.025 SS) 은반원형의단면형태로강선결찰시에는기존의각형와이어에비해모서리부위에서결속 (binding), 홈 (notching) 이생길가능성이낮아져마찰력이작게나타날것으로예상하였다. 그리고 solid silde를가지는 Damon Q에서는접촉형태의변화로인하여큰 20

31 모멘트에서 bite 되는효과가나타나마찰력이오히려더크게나타날수있을것이라고생각하였으나세호선에서유의성있는차이가나타나지않았다. 탄력성있는 clip을가지는 Clippy C에서는브라켓슬롯의치은측면 (gingival wall) 의길이에비해호선의두께가더크기때문에 D shaped.018 x.025 SS 와.018 x.025 SS 에서.018 x.022 SS 보다는더큰마찰력이나타날것으로예상하였고그결과를실험에서확인할수있었다. 또한호선의크기와관련하여.018 x.022 SS와.018 x.025 SS의비교시동일한모멘트를적용할경우크기가작은.018 x.022 SS의변형이더크게나타날것이고그로인해마찰력이더크게나타날것으로예상하였으나전반적으로두호선사이의마찰력에서유의한차이는관찰되지않았다. 자가결찰브라켓에서는호선의협설측직경이마찰력발생에중요한요소로작용하는데, Budd 등 (2008) 의연구에서, active clip을가지는자가결찰브라켓에서는호선의협설측직경이커질수록마찰력이증가하였고, 또한 Speed TM D wire 를이용한실험에서 D wire 의마찰력이원형호선과각형호선 마찰력의중간크기로측정되었다고보고하였다. 본실험에서도이전의연구와유사한결과를얻을수있었고, Clippy C의경우브라켓디자인의영향으로호선크기및단면형태에따라마찰력의차이가나타난것으로보인다. 크기가상대적으로작은.018 x.022 SS가다른두호선에비해마찰력이작은것이이를증명하고있다. 세라믹브라켓과메탈브라켓에서는 D shaped.018 x.025 SS 가다른호선에비해마찰력이상대적으로작았는데, 이는호선의단면형태와결찰이마찰력에영향을미친것으로생각된다. 21

32 3. Bracket 에따른마찰력비교 자가결찰브라켓에서모멘트의증가에따른마찰력의증가양상은다르게나타났는데, 이는브라켓의디자인이영향을미친것으로보인다. Clippy C에서는초기의마찰력이높게나타난반면모멘트의증가에따른마찰력의증가양상이상대적으로낮았고 Damon Q는초기에는낮은마찰력을보였지만모멘트가증가할수록마찰력증가폭이크게나타났다. 이는 passive type의 Damon Q에서는모멘트가 0 g mm 이거나낮은모멘트에서는호선에가해지는수직항력의영향이적기때문이고, active type의 Clippy C에서는브라켓의치은측 wall의 depth가작기때문에모멘트가없거나작은상황에서도호선과결속 (binding) 이되어마찰력이크게나타난것으로생각할수있다. 본실험과유사한 Reznikov 등 (2010) 의실험에서는자가결찰브라켓의 clip의디자인이협설측평면에서의마찰력에영향을줄수있다고하였다. 호선에힘이가해지면작용반작용의법칙에의해 equal and opposite force가생기게되는데, 단단한 slide 형태의 clip은호선의변형에저항하고그힘을그대로수직항력의요소로서호선에전달하는반면, 유연한 active clip은바깥으로변형되면서전단력의일부를흡수하여더작은 reactive force를호선에돌려주게된다. 이렇게다른패턴의작용반작용에의한수작항력의크기가마찰력의차이를발생시킨것으로보이고, 활주역학시배열이완전하게이루어지지않은경우에는유리하게작용할수있을것이다. 22

33 메탈브라켓과세라믹브라켓의비교에서는세라믹브라켓에서의마찰력이메탈브라켓에서의마찰력에비해크게나타났다. 이는기존의실험 (Cacciafesta, 2003, 최등, 2006) 과같은결과로세라믹브라켓의표면거칠기가마찰력에영향을미친것으로생각할수있다. 결국치아이동에있어서브라켓에호선을삽입해야만하는상황이라면, 교정의사가조절할수있는부분은결찰방법이나호선및브라켓재질의선택이될것이다 ( 박등, 2006). 본실험의결과처럼단면형태를변화시킨 D shaped.018 x.025 SS 호선이강선결찰시더낮은마찰력을보인것은임상적으로유용하게적용할수있을것이라고사료된다. 본연구는건조상태에서 5 mm/min의속도로호선을브라켓슬롯안에서이동시켰다. 하지만구강내환경을그대로재현하지못하였으므로, 실험을통해얻은마찰저항수치를치아이동을위한최적의힘을구하는데적용하기에는무리가있을것으로보인다. 다만상대적인비교를통하여브라켓과호선의선택에도움이되고자하였다. 추가적으로교합력을포함하여구강내환경을적용한실험이필요할것이고, 다른재질의호선에서도단면형태가마찰력에미치는영향을평가하여임상적으로적용하는것이바람직할것이다. 23

34 Ⅴ. 결론 교정용호선의단면형태와브라켓종류에따른마찰력의차이를평가하기위해 3종류의호선 (.018 x.025 SS,.018 x.022 SS, D shaped.018 x.025 SS) 과 4 종류의브라켓 (Damon Q, Clippy C, Metal, Ceramic) 을이용하여, first order 방향에서각각 0, 200, 400, 600, 800, 1000 g mm의모멘트를부여하고만능시험기를이용하여각조건에따른정적마찰력을측정한결과다음과같은결과를얻을수있었다. 1. 모멘트가증가함에따라마찰력이통계적으로유의하게증가하였다 (p<0.05). 2. 세라믹브라켓과메탈브라켓에서는모멘트가증가함에따라.018 x.022 SS,.018 x.025 SS에비해 D shaped.018 x.025 SS에서낮은마찰력이발생하였다 (p<0.05). 3. Damon Q에서는호선에따른마찰력차이가관찰되지않았으나, Clippy C 에서는다른두호선에비해.018 x.022 SS에서낮은마찰력이발생하였다 (p<0.0001). 4. 작은모멘트 (0, 200, 400 g mm) 에서는 Damon Q에비해 Clippy C에서마찰력이통계적으로유의하게높았으며, 모멘트증가에따른마찰력증가양상은 Damon Q에비해서 Clippy C에서작게나타났다 (p<0.01). 24

35 본연구의결과를통해, 호선의크기뿐만아니라호선의단면형태, 브라켓재질및자가결찰브라켓디자인의차이가마찰력에마찰력에영향을줄수있음을알수있었다. 새롭게고안된호선 (D shaped.018 x.025 SS) 은메탈브라켓이나세라믹브라켓에서강선결찰을시행하는경우에마찰력감소효과가나타났다. 또한자가결찰브라켓의디자인에따른마찰력변화양상에차이가있음을확인하였다. 따라서교정치료시적절한브라켓과호선의조합을통하여마찰저항을줄이고치료의효율성을높이도록해야할것이다. 25

36 참고문헌 박재우, 최광철 : 브라켓종류와결찰방법에따른 NiTi wire 의 force system. 석사학위논문, 연세대학교대학원, 2006 이석민, 황충주 : 교정용선재의각도에따른수종의자가결찰브라켓에서의 마찰력비교. 석사학위논문, 연세대학교대학원, 장태호, 김상철 : 교정용브라켓의종류와각도, 호선의코팅여부에따른 마찰력의비교. 대치교정지 2011;41(6): 최윤정,` 박영철 : 세라믹브라켓의종류및브라켓슬롯과와이어각도에따른 마찰저항차이. 대치교정지 2006;36(3): Bednar JR, Gruendeman GW, Sandrik JL. A comparative study of frictional forces between orthodontic brackets and arch wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop 100(6): , Budd S, Daskalogiannakis J, Tompson BD. A study of the frictional characteristics of four commercially available self-ligating bracket system. Eur J Orthod 30(6): , 2008 Burrow SJ. Friction and resistance to sliding in orthodontics: a critical review. Am J Orthod Dentofacial Orthop 135(4): , Buzzoni R, Elias CN, Fernandes DJ, Miguel JAM. Influence of the crosssection of orthodontic wires on the surface friction of self-ligating brackets. Dental Press J Orthod 16(4): 35.e31-37.,

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40 Abstract The evaluation of friction according to the wire geometry and type of bracket Kwang-Il Son Department of Dental Sciencey The Graduate School, Yonsei University (Directed by Professor Young-Chel Park, D.D.S., Ph.D. ) In orthodontic treatment, friction that is generated by bracket wire ligation serves as a force against tooth movement. In the initial stage of leveling and alignment, or in case of space closure by sliding mechanics, it is best to have as little friction as possible. In this research, a comparison was made of the difference between the friction created by a newly designed wire for lower friction and conventional rectangular wire, with the aim of examining the impact of wire cross-section and bracket type on friction. To assess the friction, passive slide type self-ligating brackets (Damon Q), active clip type self-ligating brackets (Clippy C), metal brackets, and 30

41 ceramic brackets were used, along with three types of wires (.018 x.022 SS,.018 x.025 SS, D shaped.018 x.025 SS). In moving the wire in the bracket slot, the moments of 0, 200, 400, 600, 800, 1000 g mm were applied to the buccolingual plane, which was then moved across the universal testing machine(instron R 3366, Instron Corp. Massachusetts, U.S.A) to measure static friction. The results were as follows: 1. As the moments increased, the friction increased with statistical significance (p<0.05). 2. In ceramic and metal bracket, D shaped.018 x.025 SS generated lower friction than.018 x.022 SS,.018 x.025 SS (p<0.05). 3. In Damon Q, no difference in friction by wire type was observed. Yet, the friction with Clippy C,.018 x.022 SS was relatively lower compared to the other two wires (p<0.0001). 4. For the small moments (0, 200, 400 g mm), Clippy C created, to a statistically significant degree, greater friction compared to Damon Q, but it also showed reduced friction growth pattern according to the moment increase (p<0.01). This research concluded that factors such as cross-section, bracket material and design as well as wire size have significant impacts on the friction. It was also demonstrated that the newly-designed orthodontic wire 31

42 resulted in decrease in friction when used in SS ligation with metal and ceramic brackets. It also showed that the friction change pattern varies depending on the clip design of the self-ligating bracket. Therefore, the right combination of bracket and wire is recommended in orthodontic treatment, to reduce friction resistance and improve treatment efficiency. Keywords : Friction, Wire geometry, Cross-section, Self-ligating bracket, New wire 32