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Korea Academy of Occlusion, Orthodontics & Osseointegration.

자연치와 임플란트에 있어서 교합력 분산의 기하학적 차이

Categories: 임플란트, Date: 2015.01.15 17:27:39

교합력 분산에 있어서 자연치와 임플란트의 차이는 치주 인대의 유무이다. 이로 인해 가해지는 교합력 분산의 양태가 달라진다. 치주 인대가 없는 임플란트 수복물과 치주 인대로 치근을 지지하는 자연치에 있어서 교합력 분산의 차이는 다음과 같다. 치주 인대가 교합 하중을 분산시키는 역할을 하는 자연치는 교합력에 대한 치주 인대의 변형에 의해서 일어난 치아의 미세 이동이 1차적인 shock absorber 역할을 하고, 2차적으로 골 조직이 변형되어 교합력이 분산 흡수 된다. 이런 치주 인대의 변형 때문에 교합력에 의한 치아의 이동은 회전을 동반하고 momentum의 중심, 즉 회전의 중심은 치근 쪽에 위치하게 된다. 이 회전의 중심을 기준으로 교합 하중에 의해 압박 받는 곳은 교합면에서는 교합 하중 방향이고 치근에서는 반대 방향이다. 그리고 교합 하중이 가해지는 곳의 반대 방향에는 땅기는 힘이 가해진다. 다시 말하자면 교합력에 의해 치주 인대가 눌리는 compressive force는 반대 방향의 tensile stress와 균형을 이루고 치아를 회전 시킨다. 이런 기하학적인 혹은 역학적인 교합력 분산의 동역학적 패턴은 임플란트에서도 동일하다. 그러나 임플란트에서는 shock absorber 역할을 하는 치주 인대가 없기 때문에 회전의 중심은 fixture 상방의 crestal bone으로 이동한다. 그리고 치주 인대가 없는 임플란트는 골 조직의 변형만으로 교합 하중을 분산해야 하기 때문에 골 조직이 과도한 stress을 받기 쉽다. 즉 crestal bone에 집중적으로 교합 하중이 가해지기 때문에 골 파괴는 crestal bone에서 시작하여 fixture를 타고 하방으로 진행된다. 실제 임상적인 예를 들면 치주 질환의 진행과 peri-implantitis의 비교로 자연치와 임플란트의 교합력 분산의 차이를 알 수 있다. 임플란트의 경우는 과도한 교합 하중에 crestal bone loss가 시작하고 계속해서 골 파괴의 진행과 유지를 반복하면서 수평과 수직적으로 bone level이 내려간다. 그리고 임플란트의 디자인과 표면 처리의 상태에 따라 peri-implantitis로 인한 골 흡수의 수평적 파괴 정도와 임플란트 동요가 다르게 나타난다. 기계역학적으로 고정력이 증진된 thread를 갖는 임플란트는 픽스쳐 하방 apex까지 골 흡수가 진행되어도 동요가 없이 잔존한다. 그리고 깊은 thread 형태나 거친 표면을 임플란트의 경우는 peri-implantitis가 계속해서 악화되며, 특히 external connection의 경우 screw connection 부위의 dead space로 인해 심한 악취와 염증성 반응이 증가되어 결국 심겨진 fixture의 apex까지 수평적으로 골 흡수가 진행된다. 이렇게 골 파괴가 진행된 겨우에는 2차적인 임플란트 시술이 광범위한 골 이식술 없이는 어렵거나 불가능한 경우가 발생한다. 반대로 거칠지 않은 표면과 깊지 않은 thread 형태의 임플란트는 교합 하중에 저항하는 힘이 약하여 쉽게 동요가 증가하여 탈락하지만, peri-implantitis의 염증 정도가 심하지 않아 골의 수평적 파괴가 많이 진행되지는 않는다. 그리하여 2차적인 임플란트 시술이 용이하다는 사실이 임상적 장점이 된다. 그러나 과도한 교합 하중에 의해 쉽게 osseointegration이 파괴되는 경향이 있다. 이때 제거된 임플란트 픽스쳐는 염증성 반응보다는 비 염증성 fibrous tissue encapsulation의 anti-inflammatory reaction 양상을 보인다.


그림 1. 자연치와 임플란트의 교합력 분산의 기하학적 분석.
o는 교합하중, f는 vector force, cr은 momentum of force의 지점, d는 교합 하중이 가해지는 o에서 cr까지의 f선상의 거리, l은 d에서 cr까지의 거리이다.
좌측 그림은 정상적인 면적의 임플란트 수복물에 가해지는 교합 하중의 기하학적 분석을, 우측 그림은 교합면적을 감소시킨 보철적 수복의 교합 하중 분산을 설명하고 있다. 교합 면적이 감소하면 레버 작용의 효과가, 즉 l이 감소하여 임플란트에 가해지는 교합 하중으로 인한 골조직의 stress는 감소한다.
보철적 수복의 차이에 의한 교합력 분산의 차이는 다음과 같다. cold welding이 일어나는 internal connection의 경우 d가 길어지면서 교합 하중의 직접 영향에서 멀어져 교합력 분산을 유도하여 골 조직에 가해지는 과도한 stress가 감소하고, 반대로 external connection의 경우 d가 짧아지면서 crestal bone에 직접적인 교합 하중이 가해져 골 흡수를 유발한다. internal connection의 경우에도 fixture를 깊게 식립하면 d가 길어져 교합 하중의 직접적인 영향에서 멀어진다. 결국 교합 하중으로부터 골 조직에 가해지는 stress는 감소한다.


치주 질환의 경우는 치주 인대의 파괴에 의해 수직적 골 파괴가 먼저 일어난다. 그리고 치아의 동요가 증가함에 따라 2차적인 수평적 골 흡수가 진행된다. 즉 치아의 동요가 수평적 골 파괴를 야기하기 때문에 어느 정도 치주 파괴가 일어나면 잔존 골의 보존을 위해 발치를 신중히 고려해 보아야 한다. 치아를 보존하기 위해 자연적으로 빠질 때까지 치료하지 않거나 치주적 처치만 고집하면 임플란트 시술도 어렵거나 불가능해 질 뿐만 아니라 임플란트 수복을 하였더라도 crown/fixture ratio가 불량하거나 잔존 골의 상태가 불리하여 예후가 불확실해지기 때문이다. 이런 골 파괴의 형태는 subcrestal fixture installation에서도 관찰할 수 있다. 즉 fixture가 crestal bone하방에 canceallous bone에 유착되기 때문에 osseointegration 주위에 lamina dura와 같은 lamella bone이 형성되거나 remodeling된다고 하지만 cortical bone anchorage에 비하여 약하기 때문이다. 그리고 골 유착이 파괴되면 마치 치주 질환에서와 같이 쉽고 빠르게 수직적으로 혹은 fixture 표면을 따라 전체적으로 골 파괴가 파급된다. 이런 현상은 골의 형태학적 강성 유지가 원통형을 형성하고 있는 cortical bone보다는 canceallous bone에 의해 유지되고 있기 때문이다.




그림 2. peri-implantitis와 periodontitis의 복합 증례.
상악 좌측 제1,2대구치 부위의 임플란트의 광범위한 골 손실이 수직과 수평적으로 관찰된다. 상악 우측 제2 소구치의 만성치주염으로 인한 골 파괴는 수직적으로 시작한 후 계속해서 수평적으로 진행된다. 상악 우측 제1대구치의 치주질환은 수직적으로 파괴를 보이고 있으며, 심한 치아의 동요는 2차적인 수평적 골 흡수의 원인 된다.


임플란트 fixture와 abutment의 연결 방식의 차이도 교합력 분산의 생역학적 reaction에 영향을 준다. 예를 들면 external connection의 수복 형태는 교합 하중에 대한 momentum의 중심이 crestal bone 상방에 집중되어 fixture의 첫 번째 나사산 부위까지 골 흡수가 빠르게 진행된다. 이런 현상은 fixture와 abutment 사이의 연결이 screw로 고정되어 micro movement가 발생하기 때문이다. screw의 고정의 경우 교합 하중이 가해지면 abutment와 fixture 사이가 분리되면서 움직인다. 이런 gap movement는 골 흡수의 1차적인 원인이다. 그러나 cold welding이 일어나는 internal connection의 경우는 external connection과는 다른 bone reaction을 나타낸다. internal connection의 경우 abutment가 fixture에 완전히 고정되어 gap movement가 없기 때문에 fixture 상방, 즉 abutment post를 따라 보철 수복 하부까지 crestal bone의 level이 유지될 수 있다. 그리고 이런 현상은 switching platform 디자인의 임플란트에서 쉽게 관찰할 수 있다.


그림 3. fixture와 abutment의 connection에 따른 골 반응의 차이.
a. external connection의 경우 gap movement의 영향 때문에 fixture의 첫 번째 나사산 까지 골 흡수가 무조건 빠르게 진행된다. b.와 c. cold welding이 되는 internal connection의 경우 gap movement가 없거나, peri-implant tissue 상방에서 일어나기 때문에 crestal bone loss가 일어나지 않고 오히려 bone regeneration이나 remodeling이 발생한다. 그리고 교합력 분산에 유리한 기하학적 구조를 가지고 있다.

internal connection의 경우 fixture installation의 level, 즉 식립 깊이와 전체적인 bone level 사이의 관계는 교합력 분산에 큰 영향을 미친다. 예를 들어 bone level 하방으로 2mm 정도 깊게 픽스쳐를 식립한다. 그리고 2차 수술 후 abutment connection을 위해 sulcus forming을 시행하면 픽스쳐 상방으로 abutment post가 2mm 정도의 높이로 연결되고, 그 상방에 보철물의 margin이 위치한다. 결국 fixture가 깊게 심어지면 peri-implant tissue apparatus의 양이 풍부해지고 교합력이 momentum의 중심에 도달하기 전에 어버트먼트 주위 조직에 미리 분산되는 효과를 낳는다. 그리고 momentum의 중심까지의 거리는 증가하고 레버 작용의 효과는 감소하여 골조직에 과도한 stress를 가하지 않게 된다. 즉 픽스쳐와 어버트먼트 연결 부위의 platform switching 효과로 어버트먼트 하방 골 조직에서 교합력이 분산되고 lever arm이 짧아져 픽스쳐에 가해지는 교합 하중이 급격히 감소한다. 그리고 fixture와 abutment의 디자인은 교합하중의 분산에 결정적인 영향을 미친다. 픽스쳐의 전체적인 외형과 crestal module 그리고 apex의 형태, thread 형태와 크기, connection type 등등이 교합력의 분산에 직접적인 영향을 준다. 특히 fixture와 abutment 사이의 connection의 형태는 compressive stress가 집중되는 crestal bone의 biodynamic에 결정적인 역할을 한다.

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