대한치과보철학회지 :Vol. 36, No. 5, 1998 조임회전력에따른치과임플랜트지대나사의응력에관한연구 단국대학교치과대학치과보철학교실 이원주 임주환 조인호 Ⅰ. 서론 치과임플랜트는 1952 년 Branemark 9) 에의해골유착개념이도입된이래발전을거듭하며치과치료에널리

대한치과보철학회지 :Vol. 36, No. 5, 1998 조임회전력에따른치과임플랜트지대나사의응력에관한연구 단국대학교치과대학치과보철학교실 이원주 임주환 조인호 Ⅰ. 서론 치과임플랜트는 1952 년 Branemark 9) 에의해골유착개념이도입된이래발전을거듭하며치과치료에널리이용되고있다. 외과적으로임플랜트식립후임플랜트와골계면간에골유착이이루어져야성공한임플랜트라하겠지만, 장기적으로기능을수행하기위해서는상부보철물에대한생역학적고려역시철저히이루어져야한다 3,4,10,28,35). 치과임플랜트의보편적인문제점은임플랜트에보철물을연결하는지대나사의풀림 (screw loosening) 현상이다 1,15-17,24,32,35). 치과임플랜트보철물은임플랜트에최종상부구조를고정하는방법에따라나사유지형태 (screw-retained type) 와시멘트고정형태 (cement-fixed type) 로분류할수있다. 이중나사유지형태는짧은치관에서도나사에의해서유지력을얻을수있고, 유지보수가필요하면언제든지풀었다가재장착이가능하다는장점을갖고있는반면에시멘트공간에의한오차보상이없으므로고도의보철물적합도가요구되고나사풀림이발생한다는단점이있다 1,35). 나사풀림은단일보철물에서주변조직에위해작용을가져올수있고, 나사파절등으로골유착에악영향을줄수있다 25). 다수보철물에서풀리지않은고정체 (fixture) 에풀린쪽의하중이부가되어골유착에좋지않은결과를가져올수있다 1,35). 나사풀림정도를측정하는방법에는크게 3 가지가있다 31). 첫째는풀림회전력을측정하거나, 다시조 이는조임회전력 (restarting or breakaway torque) 을측정하는방법인데, 간편한방법이지만윤활제의유무, 온도상승, 또는부식 (corrosion) 등에의해결과가왜곡될가능성이있다. 둘째는나사신장측정 (screw elongation measurement) 방법이다. 셋째는, ultrasonic extensometer 를사용하는방법에서적은양의외력을적용하여전하중을측정하는방법 (tension load procedure) 이다. 나사신장측정방법은나사의초기길이와풀림후신장된길이비교로전하중 (preload) 5) 을측정하는방법이며사용되는측정기구에따라 2 가지종류로나누어지는데, micrometer 측정과초음파측정이있다 31). Micrometer 측정은대개 C 형 - micrometer 를사용하며나사의양끝모두로접근이가능할때사용할수있다. 초음파측정은나사신장이나평균응력, 또는둘다측정할수있으며사용되는기구는 ultrasonic thickness gauge, computerized thickness gauge, ultrasonic stress analyzer, thread strain analyzer, Erdman-Mcfaul extensometer, ROUS system 등이있다. 전하중은유지나사와임플랜트를단단하게조여주고, 나사의두부 (screw head) 와임플랜트사이에고정력 (clamping force) 을발생시키고유지시켜준다 14). 이러한전하중을만들기위해나사에조임회전력을가하게되나나사에외력등이가해지면전하중을상실하게된다. 이와같이나사의장력이감소하는것을풀림효과 (loosening effects) 라고한다. 나사의풀림은대부분조여진후초기수초 721

또는수분내에발생하며소량은그이후시간을두고발생한다. 전자를단기간풀림 (short-term loosening), 후자를장기간풀림 (long-term loosening) 이라고하는데 31), 단기간풀림은주로 surface settling 에의해발생하며, 장기간풀림은 vibration loosening 과 stress loosening 에의해발생한다. Surface settling 이란 8,10,18,33,36), 나사에조임회전력이가해지면현미경적소견으로는항복강도이상의하중을받게되는지점들이생기며, 이지점들에서소성변형 (plastic deformation) 이발생하게되고표면의초기접촉부위가변형되어편평하게되는것을말한다. 나사를안정화시킬수있는접촉면적이생길때까지소성변형이일어나며이러한소성변형을통해나사가신장된다 31). 조임회전력을가하면나사에일종의에너지가발생하고그에너지가마찰력에의해나사조임을유지하지만, 어떤원인으로마찰력이소실되면에너지가방출되고나사가나선의경사면을따라원래의길이로되돌아가게되는데이것을 vibration loosening 이라고하며, 장기간풀림의가장보편적인형태이다. Stress loosening 은시간과하중에의해발생하는 creep 과유사한개념으로, 나사를조일때상당한중량을부여하고온도를높게해주면파절될때까지나사가천천히늘어나게되는것을말한다. 그러나고려하지않아도될만큼발생속도가느리다. 본연구에서는소성변화가없는최대조임회전력을산출하기위해, 조임회전력을가한후지대나사의신장을측정하고, 최대조임회전력을가한후풀림회전력을측정하였다. 측정값으로 UCLA- 형치과임플랜트지대나사의응력과전하중을평가하였으며, 나사풀림을최소화하기위한최대조임회전력을계산하여추정하고, 재료간풀림회전력을비교연구하였다. Ⅱ. 문헌고찰 지대나사의풀림은임플랜트보철물에서흔히발생하는문제점이다 1,15-17,24,32,35). Jemt 15) 와 Jemt 등 16) 은무치악에식립한임플랜트보철물에서식립 2 주후첫내원시 30.6% 에서나사풀림이발생했으며, 다시조임회전력을가한후 3 개월후에그중 6% 에서다시나사풀림이발생했다고보고하였다. 또한상악은 43% 에서나사풀림이발생한반면하악은 27% 의나사풀림발생을보고하였다. 1992 년에는 Jemt 등 17) 이후방연장국소의치보철물의상악 49%, 하악 21% 에서나사풀림을보고하였고, 최종조임후에도상악 13.6% 에서나사풀림을보고하였다. Binon 등 8) 에의하면, 다수의임플랜트를식립한경우도나사풀림이발생하는데, 최근단일임플랜트보철물의 26% 에서나사풀림이일어났으며, 전치부 (28%) 보다는소구치부 (31%) 에서나사풀림이더빈번하다고보고하였다. 또한상악 (24%) 과하악 (10.5%) 간에유의성있는나사풀림의차이를보고하였다. Naert 등 24) 은임상에서초기조임회전력 (tightening torque) 을가한후첫번째내원시유지나사의 6% 에서나사풀림이발생했다고보고하였고, Misch 35) 는임플랜트지지피개의치보다는부분무치악증례에서빈발한다고보고하였다. 1994 년 Kallus 18) 는 5 년경과된전악고정성임플랜트보철에서유의할만한나사풀림을 24.1% 의증례에서발견하였다고보고하였다. 유지나사의풀림은보철물의형태, 개인간의교합력, 같은구강내에서도치아마다교합력등이다르므로다양하게발생한다 15,17,24,33). Shigley 39) 는초기전하중의 10% 가이러한 surface settling 과정에서상실된다고보고하였으며, Hagiwara 와 Chashi 30) 는초기조임과풀림과정에서는나선계면상의마찰이크지만, 조임과풀림과정을반복하고나면마찰이감소한다고보고하였다. 1992 년 Carr 등 11) 은임플랜트연구에서초기조임과정시지대주에서평균전하중은 97 N 이라보고하였으며, 1993 년에는 Carr 등 12) 이나선의맞물림과정을완료한후평균전하중은 322 N 이라고보고하였다. 통상사용되는조임회전력의양은지대나사위에금나사를조일때는 10 N, 지대원주조임시는 20 N 의힘을사용하고있으며, 단일보철물 (CeraOne) 에서는 32 N 의힘으로조인뒤상부보철물을접착하는방법을쓰고있다 1,2,8,34). 1994 년 Binon 등 8) 의논문에서, 나사파절에필요한조임회전력의 75% 의힘이가장적절한전하중을발생시키는조임회전력의양이라보고된바 722

있으며, Carr 등 13) 은골유착된임플랜트에역회전력 (reverse torque) 을가하는실험에서임플랜트성분이나표면성분에따라회전력이다름을보고하였는데, [HA : Hydroxyapatite] 의경우 186.0 Ncm, [Ti-6Al-4V] 는 78.6 Ncm, [CP Ti : Commercially pure titanium] 는 74.0 Ncm 의역회전력 (reverse torque) 이요구된다고보고하였다. 1. 실험재료 Ⅲ. 실험재료및방법 본실험에서는다음과같은재료를사용하였다. (1) Titanium 임플랜트 (SDCA 018, Nobelpharma USA, Chicago, IL) 지대나사길이측정을위해임플랜트의근단부 를제거하였다 (Fig. 1, 2). 지대나사에서임플랜트로힘이전달되는데최소한 3 개의지대나사의나선이필요하므로 38), 본실험에서는 6 개의나선이임플랜트내에위치하게하였다. (2) Gold UCLA hexed abutment(guch1, Implant Innovations, USA) 지대나사길이측정을위해지대주 (abutment) 의치관부를제거하였다 (Fig. 1, 2). (3) Titanium and gold alloy UCLA screws(ucabh and UCABS, Implant Innovations, USA) (Fig. 3, 4) (4) Torque driver(1.5rtdh & 6RTD, Tohnichi MFG. Co., LTD. Japan) 조임회전력을가하는장치로써 1.5RTDH(0.2- Fig 1. Test configuration showing the assembly of the abutment screw fastened to the implant through the abutment Fig 2. Feature of test configuration Fig 3. Feature of titanium UCLA screws Fig 4. Feature of gold alloy UCLA screws 723

Fig 5. Feature of torque driver Fig 6. Feature of torque gauge driver를사용하여지대나사에조임회전력을가하고 micrometer로각각의조임후길이측정을시행하였다. Fig 7. Feature of micrometer 1.5 kgf cm, 0.01 kgf cm 단위 ) 와 6RTD(1-6kgf cm, 0.05 kgf cm 단위 ) 의 2 가지를사용하였다 (Fig. 5). (5) Torque gauge(3.6 BTG, Tohnichi MFG. Co., LTD, Japan) 풀림회전력을측정하는계측장치로써 0.05 kgf cm 의눈금단위로최소 0.4 kgf cm 에서최대 3.6 kgf cm 까지계측이가능하다 (Fig. 6). (6) Micrometer(193-111, Mitutoyo, Japan) 나사신장을측정하는장치로써 0-25 mm 에서 1 μm 단위까지측정이가능하다 (Fig. 7). 2. 실험방법 지대나사의길이측정이가능하도록절단된임플랜트와 UCLA- 형지대주를연결하고, torque (1) 금지대나사의경우조임회전력을가하기전, 5 N-cm 가한후, 그리고 10 N-cm 에서제조회사가지시하는 32 N-cm 까지 2 N-cm 씩증가하면서힘을가한후, 각각의지대나사길이와풀림회전력을측정하였다. 위의과정을 5 개의금지대나사에서, 지대나사마다 5 회반복측정하였다. (2) 타이타늄지대나사의경우조임회전력을가하기전, 4 N-cm 가한후, 그리고 8 N-cm에서제조회사가지시하는 20 N-cm까지 2 N-cm씩증가하면서힘을가한후, 각각의지대나사길이와풀림회전력을측정하였다. 위의과정을 5개의타이타늄지대나사에서, 지대나사마다 5회반복측정하였다. 3. 통계처리 본논문의통계처리에는 SPSS V5.02 for Win(SPSS Inc., USA) 을사용하였다. 나사신장과조임회전력간의상관관계분석을위해상관계수분석 (correlation) 과회귀분석 (regression analysis, stepwise method) 을시행하였다. 두가지다른재료의지대나사간풀림회전력차이는 independent t-test 를 95% 유의수준으로시행하여검증하였다. 724

Ⅳ. 실험결과 나사길이를측정한결과를도표로정리하면다음과같다. Table 1. Results of measurement of gold alloy(1) screw length and loosening torque Before 8.570 8.568 8.570 8.568 8.568 5 0.51 8.571 8.569 8.570 8.569 8.568 10 1.02 8.573 8.570 8.572 8.570 8.570 12 1.22 8.573 8.571 8.573 8.571 8.570 14 1.43 8.574 8.572 8.574 8.571 8.574 16 1.63 8.575 8.573 8.574 8.573 8.575 18 1.84 8.576 8.574 8.574 8.573 8.575 20 2.04 8.577 8.575 8.574 8.573 8.575 22 2.25 8.577 8.575 8.575 8.575 8.575 24 2.45 8.577 8.575 8.576 8.575 8.576 26 2.65 8.578 8.575 8.576 8.576 8.576 28 2.86 8.578 8.576 8.577 8.576 8.576 30 3.06 8.579 8.578 8.578 8.577 8.577 32 3.26 8.580 8.578 8.579 8.578 8.578 Loosening kgf cm 2.27 2.42 2.20 2.31 2.34 torque Ncm 22.31 23.74 21.58 22.73 22.96 Table 2. Results of measurement of titanium(1) screw length and loosening torque Before 7.911 7.930 7.934 7.934 7.933 4 0.41 7.912 7.932 7.935 7.935 7.934 8 0.82 7.913 7.933 7.935 7.935 7.934 10 1.02 7.913 7.933 7.936 7.936 7.935 12 1.22 7.915 7.934 7.937 7.936 7.936 14 1.43 7.916 7.935 7.939 7.938 7.937 16 1.63 7.917 7.935 7.939 7.939 7.937 18 1.84 7.918 7.936 7.940 7.940 7.939 20 2.04 7.919 7.938 7.941 7.941 7.940 Loosening kgf cm 1.62 1.42 1.36 1.42 1.52 torque Ncm 15.89 13.93 13.34 13.93 14.91 725

Table 3. Results of measurement of gold alloy(2) screw length and loosening torque Ncmㅁ kgf cm 1회 2회 3회 4회 5회 Before 8.569 8.568 8.569 8.567 8.568 5 0.51 8.570 8.569 8.570 8.568 8.569 10 1.02 8.571 8.569 8.570 8.570 8.570 12 1.22 8.572 8.570 8.571 8.570 8.571 14 1.43 8.572 8.571 8.572 8.571 8.572 16 1.63 8.573 8.572 8.574 8.572 8.573 18 1.84 8.574 8.574 8.575 8.573 8.574 20 2.04 8.575 8.574 8.575 8.573 8.575 22 2.25 8.575 8.575 8.576 8.574 8.576 24 2.45 8.576 8.576 8.576 8.575 8.577 26 2.65 8.577 8.577 8.577 8.575 8.578 28 2.86 8.578 8.578 8.578 8.576 8.578 30 3.06 8.579 8.579 8.578 8.577 8.579 32 3.26 8.580 8.579 8.579 8.577 8.579 Loosening kgf cm 2.22 2.20 2.23 2.34 2.22 torque Ncm 21.80 21.58 21.88 22.96 21.82 Table 4. Results of measurement of titanium(2) screw length and loosening torque Before 7.970 7.989 7.993 7.993 7.994 4 0.41 7.971 7.990 7.994 7.994 7.996 8 0.82 7.972 7.991 7.995 7.995 7.996 10 1.02 7.972 7.992 7.997 7.996 7.997 12 1.22 7.973 7.992 7.998 7.997 7.997 14 1.43 7.974 7.993 8.000 7.998 7.998 16 1.63 7.976 7.995 8.000 7.999 8.000 18 1.84 7.976 7.996 8.001 8.000 8.001 20 2.04 7.977 7.997 8.001 8.000 8.002 Loosening kgf cm 1.64 1.59 1.32 1.53 1.50 torque Ncm 16.09 15.60 12.95 15.01 14.71 726

Table 5. Results of measurement of gold alloy(3) screw length and loosening torque Before 8.545 8.544 8.543 8.543 8.544 5 0.51 8.547 8.545 8.543 8.543 8.544 10 1.02 8.549 8.546 8.543 8.544 8.545 12 1.22 8.550 8.548 8.544 8.544 8.546 14 1.43 8.551 8.549 8.547 8.546 8.547 16 1.63 8.551 8.549 8.547 8.546 8.548 18 1.84 8.552 8.549 8.548 8.549 8.548 20 2.04 8.553 8.551 8.549 8.550 8.550 22 2.25 8.553 8.553 8.550 8.551 8.551 24 2.45 8.554 8.553 8.550 8.552 8.552 26 2.65 8.555 8.553 8.551 8.552 8.552 28 2.86 8.556 8.554 8.552 8.554 8.552 30 3.06 8.556 8.554 8.552 8.554 8.554 32 3.26 8.557 8.555 8.553 8.555 8.555 Loosening kgf cm 2.42 2.28 2.39 2.47 2.26 torque Ncm 23.74 22.37 23.45 24.23 22.14 Table 6. Results of measurement of titanium(3) screw length and loosening torque Before 7.970 7.981 7.982 7.980 7.979 4 0.41 7.971 7.982 7.982 7.981 7.980 8 0.82 7.972 7.983 7.984 7.982 7.981 10 1.02 7.973 7.984 7.986 7.98. 7.982 12 1.22 7.974 7.985 7.988 7.983 7.983 14 1.43 7.974 7.985 7.989 7.984 7.983 16 1.63 7.976 7.987 7.989 7.984 7.984 18 1.84 7.977 7.988 7.990 7.985 7.986 20 2.04 7.978 7.989 7.990 7.985 7.986 Loosening kgf cm 1.63 1.53 1.49 1.51 1.48 torque Ncm 15.99 15.01 14.62 14.81 14.52 727

Table 7. Results of measurement of gold alloy(4) screw length and loosening torque Before 8.549 8.547 8.546 8.547 8.545 5 0.51 8.550 8.548 8.547 8.549 8.545 10 1.02 8.550 8.548 8.548 8.550 8.547 12 1.22 8.551 8.549 8.548 8.550 8.547 14 1.43 8.553 8.550 8.549 8.550 8.548 16 1.63 8.553 8.551 8.549 8.551 8.559 18 1.84 8.554 8.552 8.550 8.551 8.550 20 2.04 8.555 8.552 8.551 8.552 8.550 22 2.25 8.555 8.553 8.552 8.553 8.551 24 2.45 8.556 8.553 8.553 8.554 8.551 26 2.65 8.557 8.554 8.554 8.555 8.552 28 2.86 8.557 8.556 8.555 8.555 8.553 30 3.06 8.558 8.557 8.556 8.557 8.554 32 3.26 8.559 8.557 8.556 8.558 8.554 Loosening kgf cm 2.34 2.24 2.35 2.23 2.41 torque Ncm 22.95 21.97 23.05 21.88 23.64 Table 8. Results of measurement of titanium(4) screw length and loosening torque Before 8.001 8.015 8.009 8.014 8.010 4 0.41 8.002 8.017 8.010 8.015 8.011 8 0.82 8.004 8.018 8.011 8.016 8.012 10 1.02 8.004 8.019 8.012 8.017 8.012 12 1.22 8.004 8.020 8.012 8.017 8.013 14 1.43 8.005 8.021 8.012 8.018 8.013 16 1.63 8.006 8.021 8.014 8.020 8.014 18 1.84 8.008 8.022 8.015 8.021 8.015 20 2.04 8.009 8.023 8.016 8.022 8.017 Loosening kgf cm 1.64 1.32 1.36 1.43 1.45 torque Ncm 16.09 12.95 13.34 14.03 14.23 728

Table 9. Results of measurement of gold alloy(5) screw length and loosening torque Before 8.542 8.540 8.542 8.540 8.540 5 0.51 8.543 8.541 8.542 8.541 8.540 10 1.02 8.544 8.542 8.544 8.542 8.542 12 1.22 8.544 8.543 8.545 8.543 8.542 14 1.43 8.545 8.544 8.546 8.543 8.546 16 1.63 8.546 8.545 8.546 8.545 8.547 18 1.84 8.547 8.546 8.546 8.545 8.547 20 2.04 8.548 8.547 8.546 8.545 8.547 22 2.25 8.549 8.547 8.547 8.547 8.547 24 2.45 8.550 8.547 8.548 8.547 8.548 26 2.65 8.550 8.548 8.548 8.548 8.548 28 2.86 8.51 8.549 8.549 8.548 8.548 30 3.06 8.551 8.551 8.550 8.549 8.549 32 3.26 8.552 8.552 8.551 8.550 8.550 Loosening kgf cm 2.44 2.39 2.35 2.26 2.31 torque Ncm 23.94 23.45 23.05 22.17 22.66 Table 10. Results of measurement of titanium(5) screw length and loosening torque Before 8.019 8.030 8.032 8.032 8.031 4 0.41 8.020 8.031 8.033 8.033 8.032 8 0.82 8.022 8.032 8.035 8.034 8.034 10 1.02 8.022 8.032 8.035 8.035 8.034 12 1.22 8.023 8.034 8.036 8.035 8.035 14 1.43 8.023 8.035 8.036 8.037 8.035 16 1.63 8.025 8.035 8.037 8.039 8.036 18 1.84 8.026 8.035 8.039 8.040 8.038 20 2.04 8.027 8.036 8.039 8.040 8.039 Loosening kgf cm 1.64 1.38 1.51 1.37 1.46 torque Ncm 16.09 13.54 14.81 13.44 14.32 729

이상의결과에서신장된길이 (Δl) 를측정한후 5 개의지대나사마다평균하여그래프로나타내었다 (Fig 8, 9). Fig 8. Gold alloy screw elongation for 5 to 32 N- cm torque 상관계수분석과회귀분석을시행한결과금지대나사와타이타늄지대나사에서나사신장과조임회전력간에상관관계 (gold alloy screws : r 2 =0.987, titanium screws : r 2 =0.978) 가있었으며, 가장많은신장을보인지대나사 (gold alloy screws : r 2 =0.977, titanium screws : r 2 =0.970) 와가장적은신장을보인지대나사 (gold alloy screws : r 2 =0.974, titanium screws : r 2 =0.983) 를포함하여모든결과에서상관관계는정의관계 ( 비례관계 ) 30) 에있었다 (Fig 8, 9, Table 11, 12). 매회마다측정한풀림회전력을제조회사가지시한조임회전력 ( 금지대나사 : 32 N-cm, 타이타늄지대나사 : 20 N-cm) 의 % 로나타내어, 두가지다른재료간의차이를그래프로나타내었다 (Fig 10). Fig 9. Titanium screw elongation for 4 to 20 N-cm torque Fig 10. Loosening torque as a percentage of tightening torque Table 11. Results of regression analysis (gold alloy screw) Multiple R 0.99343 R Square 0.98690 Variable B SE B Beta T Sig T 0.345175 0.011479 0.993430 30.070 0.0000 (contant) -0.919290 0.235432-3.905 0.0021 Table 12. Results of regression analysis (titanium screw) Multiple R 0.98887 R Square 0.97786 Variable B SE B Beta T Sig T 0.378217 0.021508 0.988870 17.585 0.0000 (contant) -0.535349 0.277667-1.928 0.0952 730

타이타늄지대나사에서는 1 회째와 2-5 회째간에유의성있는풀림회전력의차이를보였으나 (p<0.05), 금지대나사에서는 1 회째와 2-5 회째간에유의성있는풀림회전력의차이를보이지않았다 (Table 13). σ F/A E = = ε Δl/l0 F/A 따라서 E = Δl = Δl/l0, Fl0 EA Hooke 의법칙이성립하므로신장된길이는응력과하중으로나타낼수있다 37). 응력하중 / 단면적탄성계수 = = 변형률변형된길이 / 변형전길이, 으로나타낼수있다 4,32,37). 또한지대나사의길이는 Fig 1 에서와같이나누어지므로 Δl = Δl1 + Δl2 + Δl3 Table 13. Results of t-test for loosening torque of gold alloy screw and titanium screw Trial t-value df 2-Tail Sig. 1 vs 2 0.56 8 0.593 1 vs 3 0.63 8 0.545 1 vs 4 0.72 8 0.492 1 vs 5 0.59 8 0.572 Gold 2 vs 3 0.04 8 0.972 2 vs 4 0.04 8 0.968 2 vs 5-0.04 8 0.969 3 vs 4 0.00 8 1.000 3 vs 5-0.09 8 0.934 4 vs 5-0.10 8 0.921 Trial t-value df 2-Tail Sig. 1 vs 2 3.76 4.05 0.019 1 vs 3 5.86 4.09 0.004 1 vs 4 8.89 8 0.000 1 vs 5 11.41 8 0.000 Ti 2 vs 3 0.64 8 0.539 2 vs 4 0.30 8 0.768 2 vs 5-0.66 4.53 0.539 3 vs 4-0.53 8 0.609 3 vs 5-1.83 4.86 0.129 4 vs 5-1.95 8 0.086 Trial 1 vs 2 1 vs 3 1 vs 4 1 vs 5 2 vs 3 2 vs 4 2 vs 5 3 vs 4 3 vs 5 4 vs 5 Gold Ti * * * * 731

Table 14. Results of screw torque at 32 N-cm for gold alloy and at 20 N-cm for titanium Material Torque Elongation Force Stress Yeild Strength (N-cm) (μm) (N) (MN/m 2 ) (%) 1 9.8±0.45 474.0±21.65 279.3±12.75 49.40 2 10.6±0.55 512.7±26.51 302.1±15.61 53.46 Gold 3 32 11.2±0.84 541.7±40.45 319.2±23.85 56.48 4 10.0±0.71 483.7±34.22 285.0±20.15 50.42 5 10.2±1.10 493.4±52.98 290.7±31.22 51.42 1 7.4±0.55 396.5±29.30 233.6±17.31 50.56 2 7.6±0.55 407.2±29.30 240.0±17.31 51.94 Ti 3 20 7.2±1.30 389.8±61.47 227.3±41.16 49.22 4 7.6±0.55 407.2±29.30 240.0±17.31 51.94 5 7.4±0.89 396.5±47.89 233.6±28.26 50.58 Fl1 Fl2 Fl3 Δl = + + EA1 EA2 EA3 A1=3.017 mm 2 나사의경부중치관측넓은부분 A2=1.697 mm 2 나사의경부중근단측좁은부분 A3=2.164 mm 2 지대나사와임플랜트의나선부분 F l1 l2 l3 = + + E A1 A2 A3 로나타낼수있다 31). 지대나사측정후평균하면 21) 아래와같다. l1=0.89 mm 나사의경부중치관측넓은부분 l2=1.07 mm 나사의경부중근단측좁은부분 l3=2.44 mm 지대나사와임플랜트의나선부분 금지대나사의탄성계수는 99.3 GPa, 항복강도는 565.4 MPa, 타이타늄지대나사의탄성계수는 110 GPa, 항복강도는 462 MPa 이므로지대나사의응력과하중은다음과같이나타낼수있다. F = Δl 48.37 MN/m (gold alloy) F = Δl 53.58 MN/m (titanium) F σ= (screw) 1.697 mm 2 Fig 11. Maximum screw stresses versus tightening torque for gold alloy and titanium screws Fig 12. Preload versus tightening torque for gold alloy and titanium screws 732

따라서본실험의측정치에대해응력과하중을계산하면 Table 14 의결과와같다. 제조회사가지시한최대조임회전력으로힘을가한후금지대나사와타이타늄지대나사에항복강도의 60% 이하의응력이발생하는것으로산출되었으며탄성한도이내에있었다 (Table 14). 금지대나사와타이타늄지대나사의조임회전력에따른응력과하중을그래프로나타내었다 (Fig 11, 12). Ⅴ. 총괄및고안 치과임플랜트의보편적인문제점은임플랜트에보철물을연결하는지대나사의풀림현상이다 1,15-17,24,32,35). 나사의풀림을방지또는해결하기위한공학적, 치과적노력이계속되어왔다 1,8,19-21,26,29,31). 공학적으로, 단기간풀림을방지하기위한방법은균일한부품가공, 고강도의재질사용, 조임과풀림을반복하는방법등이있고 1,31), vibration loosening을방지하기위한방법으로접촉계면에홈을파서맞물리게하거나용접하는방법, lock wire 이나 pin, 또는 washer 1,29) 를이용하는방법등이있다. 치과적으로풀림을방지하기위한방법은보철물접촉면의정확도를높여서수동적접합성을이루는것, 임플랜트수를늘리는방법, 교합간섭제거나교합면적축소등으로교합을조절하는방법등이있다 8,19,20,26). 그리고완전무치악증례에서점차부분무치악, 단일임플랜트보철물증례가증가함에따라고정체와상부구조의보철적결합구조와지대나사에조임회전력을가할때회전력의양이논의되고있다 1,21). 회전과풀림방지를위해고정체에외육각구조를만들기도하고, 단일임플랜트보철물의경우일반적으로인접치아에회전방지용구조물을연장하며, 구치부에서는인접치아와의접촉면을확장하는방법등을사용하여왔다 1). 지대나사의조임회전력의양은골유착에손상이없는범위여야함과동시에보철적인나사구조에영향을주지않는범위에서나사풀림을효과적으로막을수있어야한다. 그러한조임회전력의양에대하여많은논의가되고있다 10,13). 골유 착된임플랜트의제거에는임플랜트성분에따라 186.0 Ncm (HA), 78.6 Ncm (Ti-6Al-4V), 74.0 Ncm (CP Ti) 의역회전력 (reverse torque) 이요구된다고보고된바있다 13). 조임회전력의양은지대나사위에금나사를조일때는 10 N, 지대원주조임시는 20 N 의힘을사용하고있으며, 단일보철물 (CeraOne) 에서는 32 N 의힘으로조인뒤상부보철물을접착하는방법을쓰고있다 1,2,8,34). 다양한임플랜트제품으로최적의회전력값을실험한논문에서 Nobelpharma 금나사의경우 12.4 N-cm, Core-Vent TST screw 의경우 83.8 N-cm 로보고된바있다 8). 본실험에서는나사풀림을방지하는데도움을얻고자지대나사조임시최대조임회전력을산출하는데에지대나사신장측정으로부터얻은측정값을이용하여공학적인접근을시도해보았다. 금지대나사에제조회사가지시한최대조임회전력 32 N-cm 를가했을때의평균응력은 295.26 MN/m2 이었으며, 279.30 (±12.75) 에서 319.20 (± 23.85) MN/m 2 의범위에있었다 (Table 14). 타이타늄지대나사에제조회사가지시한최대조임회전력 20 N-cm 를가했을때의평균응력은 234.91 MN/m2 이었으며, 227.34 (±41.16) 에서 239.96 (± 17.31) 의범위에있었다 (Table 14). 이값을항복강도 (565.4 MPa : gold alloy, 462 MPa : titanium) 와비교하여백분율로나타냈을때두가지모두항복강도의 60% 이하의응력이발생하는것으로산출되었다 (Table 14). 최대응력의경우도역시 56.48% (gold alloy) 와 51.94% (titanium) 로서탄성한도이내에있음을볼수있다. Fig 11 의상관그래프로두가지재료의지대나사에서조임회전력을추정해보았을때, 금지대나사에서항복강도에도달하기직전까지가능한조임회전력의양은 61.28 N-cm 이었으며타이타늄지대나사에서는 39.33 N-cm 이었다. 이러한공학적인접근에서추정된조임회전력을그대로구강에적용하는데에는더연구가필요하다. 예를들어타액이계면에흘러들게되면일종의윤활작용을하게되어추정된값과차이가있는결과를만들수있다 1). Brunski 8) 는나사파절에필요한조임회전력의 75% 의힘이가장적절한전하중을발생시키는조임회전력의양이라주 733

장한바있다. 이것이치과보철에도입된조임회전력을계산하여추정한결과라한다면, 본논문에서산출된값에적용했을때금지대나사에서는약 45.96 N-cm 의조임회전력이, 타이타늄지대나사에서는약 29.50 N-cm 의조임회전력이가장적절한전하중을발생시킨다하겠다. 여러연구에서보는바와같이, 제조회사가지시한 32 N-cm, 20 N-cm 의값보다는더큰조임회전력을가하여도나사의물성에는무리가없음을알수있다. 따라서나사풀림을방지하기위하여, 제조회사가지시하고있는최대조임회전력보다다소큰힘을가하여나사를조여도공학적, 보철적으로문제가없다고사료된다. 나사의장력은나사가탄성회복하려는결과로써, 보철물과임플랜트를서로당기는고정력을발생시킨다 14). 조임회전력을가하여나사내에유도된전하중은이와같이당기는힘으로고정되어있는접촉계면을따라분산된다 14,27). 본논문 ( 최대조임회전력시평균신장 - gold alloy : 10.36 ± 0.555 μm, titanium : 7.44 ± 0.167 μm) 에서산출된평균전하중은금지대나사에서 501.11 ± 26.85 N, 타이타늄지대나사에서 399.43 ± 7.61 N 이었다. 전하중에서비롯되는이와같은고정효과 (clamping effect) 는고정력을능가하는외력이지대주에압축력을가했을때상실된다 14). 축력이가해지면지대나사의두부와지대주의축벽사이의맞물림이벌어지게되고, 일단맞물린결합이떨어지게되면발생된전하중을모두상실하게되는것이다. 편측운동시에외력이가해져도해당부위의맞물림이떨어지게되고마찬가지로전하중을상실하게된다 14). 다양한방향에서외력이가해지면나사풀림은촉진된다. 이러한나사풀림을방지하기위해서는전하중을더부여해주어야한다. 나사신장은나선계면상의 surface settling 8,10,18,33,36) 과관련이있다. 조임과풀림과정을거치지않은새나사는현미경적소견으로는거친표면을가지는데, 이러한새나사에조임회전력을가하면여기에가해진에너지는맞물리는계면을편평하게하는데사용되며비교적적은에너지만이나사를신장시키는데이용된다. 조임을반복하여계면이편평해지고나면조임회전력의더많은에너지가 나사신장에사용되고전하중을발생시키게된다 14). 초기전하중의 10% 가이러한 surface settling 과정에서상실된다 39). 다시말하면초기조임과풀림과정에서는나선계면상의마찰이크지만, 조임과풀림과정을반복하고나면마찰이감소한다 1,30). 초기에가해진조임회전력의약 90% 가마찰력을극복하는데에사용되고단지 10% 만이전하중을발생시킨다 14,23). 또한조임과정을계속하면, 탄성한도내에서나사가신장함에따라전하중도증가하다가, 재료의물성에따라전하중증가도한계점에달한다. 이와같은공학적인이론이보철적연구에서도보고된바가있다. 임플랜트연구에서초기조임과정시지대주에서평균전하중은 97 N 이었고 11), 나선의맞물림과정을완료한후는 322 N 12) 이었다. 이는보철적영역에서도조임회전력이가해지면그에너지가나사신장이나전하중발생보다거친계면을편평하게하는데더많이사용됨을알수있다. 그러나본논문에서는 Fig 10 및 Table 13 에서보는바와같이타이타늄지대나사에서는 1 회째와 2-5 회째간에유의성있는풀림회전력의차이를보였으나 (p<0.05) 금지대나사에서는유의성있는차이를보이지않았다. 앞서설명한관점에서본다면금지대나사와타이나늄지대나사에서유사한결과가나타나야할것으로예상되나, 이경우와같이두가지중에한재료에서만나타난특정결과를결론으로받아들이기는어렵다. 즉, 본논문에서는조임및풀림과정의횟수와, 풀림회전력으로부터측정할수있는전하중간에특별한관계가없었다. 그것은본실험에사용된임플랜트와지대주는나사신장측정실험에동일한조건을부여하기위해이미실험에앞서조임및풀림과정을충분히실행하는과정이필요하므로, 지대나사의나선이접하는임플랜트와지대주계면의마찰력이매우낮기때문으로사료된다. 본논문과같이나사신장측정과병행할때는동일조건을위한전처리가필요하므로, 마찰에대한효과를더연구하기위해서는마찰력과전하중만을비교할수있는별도의실험계획이필요하리라고사료된다. 734

Ⅵ. 결론 조임회전력에따른나사신장과풀림회전력을측정함으로써, UCLA- 형치과임플랜트지대나사의응력과전하중을평가하여나사풀림을최소화하기위한최대조임회전력을추정하고, 재료간풀림회전력을비교한결과다음과같은결론을얻었다. 1. 금지대나사와타이타늄지대나사에서나사신장과조임회전력간에상관관계가있었으며 (gold alloy : r 2 = 0.987, titanium : r 2 = 0.978), 나사신장측정으로부터산출하여얻은평균전하중은 501.11 ± 26.85 N (gold alloy) 과 399.43 ± 7.61 N (titanium) 이었다. 2. 제조회사가지시한최대조임회전력으로힘을가한후지대나사에발생한응력은항복강도의 60% 이하로서탄성한도이내에있었으며, 소성변형이없는최대조임회전력을상관그래프로추정한값은 61N-cm (gold alloy) 와 39 N- cm (titanium) 이었다. 3. 타이타늄지대나사에서는 1 회째와 2-5 회째간에유의성있는풀림회전력의차이를보였으나 (p<0.05), 금지대나사에서는 1 회째와 2-5 회째간에유의성있는풀림회전력의차이를보이지않았다. 참고문헌 1. 강윤모, 조인호 : 치과임플랜트지대나사의풀림현상에관한연구. 단국대학교치과대학논문집. 1995. 2. 조인호 : 치과임플랜트시술에관한해외최신지견 (2), 대한치과의사협회지 29:12, 1991. 3. 조인호 : IMPLANT 보철수복방법의생체역학적분석, 대한치과의사협회지 31:438, 1993. 4. 김경남, 김교한, 김형일, 박영준, 배태성, 임호남, 조혜원 : 치과재료학. 군자출판사. 34, 1995. 5. 한국과학기술단체총연합회 : 과학기술용어집. 천풍인쇄주식회사. 1978. 6. 허만형 : SPSS 와통계분석, 교학사. 223, 1995. 7. Adell. R., Lekholm, U., Eriksson, B., Branemark, P.I., and Jemt, T. : A long- term follow-up study of osseointegrated implants in the treatment of totally edentulous jaws. Int J Oral Maxillofac Implants. 5:347, 1991. 8. Binon, P., Franz, Brunski, J., Gulbransen, H. : The role of screws in Implants systems. Int J Oral Maxillofac Implants. 9:(supplement)48, 1994. 9. Branemerk, P.I. : Osseointegration and its experimental background. J Prosthet Dent. 50:397, 1983. 10. Burguette, R.L., John, R.B., King, T., Patterson, E.A. : Tightening characteristic for screwed joint in osseointegrated dental implant. J Prosthet Dent. 71:592, 1994. 11. Carr, A.B., Brunski, J.B., Luby, M.L. : Preload and load-sharing of straingauged CP-Ti Implant components [abstract 106]. J Dent Res. 71(special issue):528, 1992. 12. Carr, A.B., Brunski, J.B., Labishak, J., Bagley, B. : Preload comparis on between as-received and cast-to implant cylinders [abstract 695]. J Dent Res. 72(special issue):190, 1993. 13. Carr, A.B., Larsen, P.E., Papazoglou, E., McGlumphy, E. : Reverse torque failure of screw-shaped implants in baboons : Baseline data for abutment torque application. Int J Oral Maxillofac Implants. 10:167, 1995. 14. James, E.H., Ronald, L.S., Sun, T., James P.C. : Elongation and preload stress in dental implant abutment screws. Int J Oral Maxillofac Implants. 10:529, 1995. 15. Jemt, T., : Failures and complications in 391 comsecutively inserted fixed prostheses supported by Branemark implants in edentulous jaws : A study of treatment from the time of prosthesis placement to the first annual checkup. Int J Oral Maxillofac Implants. 6:270, 1991. 16. Jemt, T., Laney, W.R., Harris, D., Henry, P.J., Krogh, P., and Polizzi, G. : Osseointegrated implants for single tooth replacement : A 1-year report from a multicenter prospective study. Int 735

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ABSTRACT STRESS OF DENTAL IMPLANT ABUTMENT SCREW BY THE TIGHTENING TORQUE Won-Joo Lee, Ju-Hwan Lim, In-Ho Cho Department of Prosthodontics Graduate School Dankook University Abutment screw loosening of implant restorations is a common problem in the treatment of dental implant. The purpose of this study was to calculate stress and preload from the elongation measurements and to determine maximum tightening torque without plastic deformation of the screw. The length of each gold alloy UCLA screw was measured after tightening to the manufacturer s recommended torque of 32 N-cm. Similarily, titanium UCLA screws were measured after tightening to the manufacturer s recommended torque of 20 N-cm. Loosening torque was also measured after tightening to 32 N-cm torque for gold alloy abutment screws and 20 N-cm for titanium abutment screws. The results were as follows ; 1. There was a regressive relationship between screw elongation and tightening torque (gold alloy : r 2 = 0.987, titanium : r 2 = 0.978), and the mean preload calculated from elongation measurements was 501.11 ± 26.85 N (gold alloy) and 399.43 ± 7.61 N (titanium). 2. Stress calculated for the gold alloy and titanium screws at maximum recommended tightening torque was less than 60% of their respective yield strengths and within the elastic range. Maximum tightening torque without plastic deformation was 61 N-cm(gold alloy) and 39 N-cm(titanium). 3. For titanium screws, there was a significant difference between loosening after trial 1 and loosening after trials 2 to 5 (p<0.05). No statistically significant difference was seen in mean loosening torques between the first and subsequent trials for gold alloy screws. Key word : loosening torgue, preload, screw loosening, stress, tightening torgue, yield strength. 737