In dentistry, most of dental implants are the screw types. Because of the screw shape, this type of implant doesn`t distribute load uniformly to cause the concentration and shielding of stress. Therefore the bone around the implant doesn`t grow uniformly, and the resorption and necrosis of bone occur. In this study, we applied the buffered fixation method to dental implants for solving this problem. The buffered implant was designed to make the interface distribute the loading uniformly and the environment induce the osseointegration.
We designed Ti implant that had a tapered cylinder shape. When the implant is fixed to the bone, there must be no slip motion at the bone and implant interface, and the loading must be transmitted to the bone. So, we used a thin buffer between the implant and bone. Because the buffer in this system was applied to endure the loading from the implant and to be biocompatible, we used Ti as a material of the buffer. In order to let the buffer be fixed to the bone and slide with the implant, the friction force between the bone and buffer had to be larger than the one between the implant and buffer. In this case, the buffer should be expanded to the radial direction enough when it got the hoop stress, however the natural stiffness of Ti was too strong to satisfy this condition. Therefore, we had to reduce its stiffness and found that the stiffness of Ti in this buffer had to be reduced to the 20% of the natural one through the analytical calculation. We found that this calculated stiffness could be made by the perforated shape that had 50% of empty space through simple FE model.
We tried to bone cell test to verify the effect of perforated shape of buffer. On the perforated shape plate, we seeded the stem cells and examined the osteogenic differentiation after 3 weeks. Perforated plates were more effective for osteogenic differentiation than flat plates.
We achieved FE model simulations about buffered implant model. At bone-buffer interface, we verified the uniform stress distribution and no slip condition.
Animal test was performed to evaluate the osseointegration using rabbits. Mobility didn`t appear at interface of buffered implant and bone. That means buffered fixation implant had osseointegration.
현재 대부분의 치아 임플란트에서 나사형태의 임플란트가 사용되고 있다. 그러나 이러한 나사형의 임플란트는 뼈와의 계면의 형상 때문에 치아에 고정될 때 임플란트가 받는 하중을 근처의 뼈에 골고루 전달하지 못하고 응력 집중이나 차단이 생기는 부분이 발생하게 된다. 이로 인해 임플란트 주위의 뼈가 골고루 자라지 못하는 문제가 생길 수 있고 이는 임플란트의 실패와 연결된다. 이에 우리는 완충고정술을 치아임플란트에 응용을 해 보았다. 완충고정식 임플란트는 뼈와 임플란트의 계면에서 상대움직임이 발생하지 않으며 응력을 고르게 분포시켜 골유착이 잘 될 수 있는 구조로 설계하였다.
임플란트는 테이퍼(taper) 형태의 원통형으로 생겼으며 임플란트와 뼈 사이에 테이퍼진 원통형의 완충재가 끼어들어간 형상이 된다. 완충재는 임플란트에서 오는 하중을 잘 전달해야 하며 충격에 깨지지 않고 잘 견뎌야 하므로 임플란트와 같은 재질인 티타늄을 사용한다. 완충재가 효과가 있기 위해서는 임플란트와 완충재 사이에서의 마찰력이 완충재와 뼈 사이에서의 마찰력보다 작아야 하며 이럴 경우 뼈와 완충재 사이는 움직임이 없고 하중만 전달이 되게 되어 골유착이 잘 이루어질 수 있다. 이 경우 완충재가 hoop stress를 받을 시에 지름방향으로 늘어나야 하는데 티타늄의 경우 강성이 강하기 때문에 이를 줄여줄 필요가 있다. 우리는 수학적 계산을 통해 완충재의 강성을 1/4정도로 낮춰야 함을 밝혔으며 perforated 형상을 통해 빈 공간을 50%정도 만들어주면 이를 만족 할 수 있음을 간단한 FE model로 확인하였다.
완충재 표면의 Perforated 형상이 골분화를 더 잘 일으키는 지 알아보기 위해 세포 실험을 수행하였다. Perforated plate의 위에서 3주 동안 stem cell을 키우는 실험을 진행하여 골분화 정도를 측정하였다. 측정 결과 일반적인 평평한 plate에서보다 perforated plate 위에서 골분화가 더 잘 됨을 확인하였다.
설계된 완충고정 임플란트가 본 연구에서 목표한 바를 만족하는지 알아보기 위해 FEM simulation을 수행하였다. 수행 결과 뼈-완충재 계면에서 상대움직임이 발생하지 않으며, 응력을 고르게 분포시킴을 확인하였다.
설계된 임플란트의 골유착 정도를 알아보기 위해 직접 제작하여 동물 실험을 진행하였다. 토끼의 대퇴골에 식립하여 4주가 지난 후에 동요도를 측정하였으며, 모든 임플란트에 대해 동요도가 거의 일어나지 않은 것을 확인하였다. 이는 완충고정임플란트가 골유착의 조건을 만족하고 있다는 것을 의미한다.
