가천의대 길병원 보철과 곽 재 호

1. Bone Biomechanics in Implant dentistry 가천의대 길병원 보철과 곽 재 호

2. Introduction • Skeletalsystem(골격계): 뼈(bones),연골(cartilages), 인대(ligaments),관절(joints) • Osteology: 골학 • Anthrology: 관절학 • 인체 골격의 기능들 1) 근육과 인대, 근막등의 부착 지지 2) 내부 장기 보호(bladder: 방광, uterus: 자궁) 3) 혈액 생성(marrow: 골수) 4) 운동의 지렛대 역할

3. Bone 1) 장골(Long bone) - 지렛대 femur, tibia, fibula, humerus, radius, ulnar 2) 단골(Short bone) - 강도: carpals 3) 편평골(Flat bone) - 보호 두개관(vault of the skull), scapula, sternum, ribs of the thorax 4) 불규칙골(iIrregular bone) - 보호, 지지, 지렛대 vertebral column, 흉부대(pectoral girdle), 골반대(pelvic girdle), patella, 안면골(face bone)

5. 뼈의 성장 • 막내화골(intramembranous bones): 간엽(mesenchyme)이 막형태 -> 골모세포 -> 두개판(cranial vault) -> 출산 -> 골화(ossification) • 연골내화골(endochondral bones): 연골세포 -> 골모세포,초자연골 (hyaline c.) 일차화골중심 - 골간 골단판(ephyseal disk) - 성장 이차화골중심 - 골단 • 완골의 골화(Ossification of the carpal bones) -> 골격과 생리학적인 성숙 • 골절(Fracture of bone): 70kg 사람이 41.6cm에서 딱딱한 바닥에 뛰어내릴 경우

6. 골의 구조 • 임프란트를 유지할 가능성이 있는 골을 판단하는데 중요한 요인들 (1)피시술자의 대사 작용 상태 (2)임프란트 식립 부위에 기능적인 부하의 부여 기왕력 (3)임프란트 식립 1차 수술시의 외과적 외상정도 (4)치유기간 동안 주변의 국소적인 유기물 인자 (5)보철 수복 후 기능시 임프란트의 생역학 문제

7. 골의 분류 • 교직골(woven bone) • 층판골(lamella bone) • 속상골(bundle bone) • 복합골(composite bone) -나이, 기능, 생리적 기왕력에 따라 상기와 같이 분류되고 거시적으로 보면 골밀도에 따라 치밀골, 망상골로 분류됨.

8. 교직골(woven bone) • 세포분포가 높은 골 조직으로 성장기나 골손상의 치유기에 나타나는 골로 빠르게 형성(하루에 30~50um씩 생성) • 성숙골과 비교시 무기질 함량이 낮고 섬유의 주행도 보다 불규칙적이며 강도도 낮다.

9. 교직골(woven bone) • 교직골은 골유착 임프란트의 초기 치유기간의 안정에 중요한 역할. • 성숙된 층판골에 비해서 유연성이 있어서 임프란트와 골의 계면 치유에서 상대적으로 미세운동을 허용하기 때문이다-고로 교직골은 힘을 받지 않는 임프란트의 안정에 도움이 되지만 기능적인 부하에 저항할 수 없다.

10. 층판골(lamella bone) • 성인골격에서 부하를 받는데 가장 중요한 골조직 • 성숙 피질골과 망상골의 지배적 구성요소 • 하루에 1.0um의 느린 속도로 자라며 고도로 조직화된 기질이 조밀하게 무기질화 되어 형성. • 형성된 시기에 상관없이 조직학적으로 유사.

11. 속상골(bundle bone) • 골이 형성되는 표면을 따라 인대나 건 부착이 있는 것이 특징. • 생리적으로 이동하는 치아의 치주인대에 인접하여 형성되므로 치과 영역에서 잘 알려져 있다.

12. 복합골(composite bone) • 교직골의 기질 위에 침착된 층판골의 형태 • 빠른 성장기와 치유기간 동안 고도로 다공성인 교직골이 골 내막면 혹은 외막면에 따라 발달한 혈관 주위에 성장. • 그 후 교직골의 격자 사이로 층판골이 채워져 부하에 저항할 수 있는 강도를 가지는 복합골이 됨

13. 복합골(composite bone) • 격자가 만들어지는 속도에 따라서 완성된 골 구조는 미세한 망상골의 집합체인 일차 골원(osteon)에서 부터 거친 망상골의 집합체인 나선형 골(whirling bone)까지 다양하게 나타난다. • 복합골의 형성에서 층판골이 침착되는 것으로 골화 과정에서 견고한 구조가 되는 것으로 임프란트의 안정을 얻는데 중요한 과정이다.

14. 골의 생리적 적응 • 지지와 대사작용이라는 두 기능을 완수키 위해 골은 여러가지 다양한 기계적, 생전기적, 대사적, 국소저인 매개체(cytokines, growth factors)에 반응한다. • 휴지기의 골아세포 분화는 기계적인 응력(strain/stress)에 의해서 매개. • 임프란트를 매식하면 국소적 매개체의 주도하에 골형성 반응이 개시되고 초기 치유반응은 식립 후 부하를 가하지 않으므로 기계적인 부하와는 상관없음.

15. 골의 생리적 적응 • 골절 치유가 일어날 때와 임프란트 계면의 초기 치유에서 실제적으로 중요한 것은 초기 부하 제거(unloading)이다. • 골과 임프란트 계면에서 일어나는 창상 치유는 미세운동이 있으면 방해를 받는데 혈관 분포에 의존하는 골 재생 과정이 붕괴되기 때문.

16. 골의 생리적 적응 • 골형성(modeling) vs 골개조(remodeling) 1.골형성(modeling) -골의 형태적 변화를 의미하는데 이화작용에 해당하는 골흡수와 동화작용에 해당하는 골침착이 있고 이는 성장분화와 구조적 적용과 관련된다. 2.골개조(remodeling) -형성된 골조직내에서의 교체(turnover)를 의미하거나 골 내부의 재구조화로 정의되는데 조직 수준에서 보면 짝지음 현상으로 설명.

17. 골의 생리적 적응 • 골 전구 세포(osseous precursor cells)의 활성화(activation, A)은 (1)흡수활동의 증가(active resorption, R) (2)활동 중지 또는 반전(quiescence or Reversal, Q) (3)골형성(formation, F) :A R F로 표현되는 골개조 순환과정(remodeling cycle, 시그마(sigma)라고도 표현)의 경과시간은 토끼는 6주, 개는 12주, 사람에선 17주정도이다.

18. 피질골 골개조 순환 주기(단위는 주[week]임)

19. 피질골 • 층판골과 복합골로 구성된 고밀도 골 조직. • 피질골의 두께와 반경은 이전에 받았던 부하의 기왕력에 지배를 받는다. • 피질골의 양은 반복 부하량에 의존하기 보단 최고 응력의 수치에 밀접한 관계. • 골내의 골세포의 생활력 유지를 위해서 피질골의 혈류 공급은 하버시안 관과 볼크만 관으로 조직화.

20. 골주(Trabecular Bone) • 해면골, 망상골, 골주, 이 셋은 저밀도의 골 조직에 쓰이는 동의어 • 성숙 골주는 층판골로 구성되고, 골주의 혈류 공급은 인접 골수에 의해 이루어 지는데, 이는 골주에 혈관이 없기 때문이다. • 골주는 압력에 효과적으로 저항할 수 있게 선택적으로 주행방향이 결정된 골 조직이며 꽉 채워진 골 조직보다 상대적으로 골의 무게를 가볍게 한다. • 척추 몸체(vertebral body)와 상악골은 압력에 저항하는 대표적인 예.

21. 골주(Trabecular Bone) • 골주의 경우 확실한 대사적 제어를 받아 골 개조 속도는 일정(0.6um/day)-이와는 대조적으로 골막 바로 하방 층판골의 경우엔 최고 1.0um/day까지 다양한 속도의 골 개조 속도를 보인다. • 기능적 요구의 변화에 상응하기 위해서 골주는 응력선(line of stress)을 따라 재배열하므로 적은 양의 골 양으로 최고의 힘을 낼 수 있게 된다. • 저밀도 골주는 무치악 상태의 심한 위축을 보이는 상악에서 많이 볼 수 있는데 이 부위에선 최소한의 외과적 시술이 필요하게 되는데, 즉 피질골만 관통하여도 임프란트는 별다른 식립을 위한 확대 없이도 심어진다.

22. 골-임프란트 계면 • 골-임프란트 계면에서의 골개조(interface remodeling)는 임프란트와 원래 골이 공존할 수 있는 계면을 형성하는데 절대적으로 필요. • 골창상으로부터 1mm이내에 있는 피질골은 가장 적절한 시술을 하더라도 살아남지 못한다-이는 아마도 감염이나 피질골 내의 부족한 혈액순환에 기인. • Dead bone은 불필요한 조직이 아니며 초기 회복 과정에서 중요한 기계적 지지를 제공하나 계면의 강도를 증가시키고 장기간의 유지를 위해서 적합한 조직을 제공키 위해 반드시 재형성을 통해서 살아있는 골로 바뀌어야 함.

23. 골-임프란트 계면 • 골-임프란트 계면과 지지골의 성숙을 위해 임프란트 식립 후 약 3 sigma(12개월)가 필요-처음 4개월(1 sigma)은 초기 치유 기간으로 “하중이 가해지지 않는” 시기이다. • 성숙 기간 동안 가골의 크기는 줄어들고 골 임프란트 계면의 개조는 계속 일어난다. 골 성숙 단계는 2 sigma(8개월)를 더 필요로 한다. • 일반적으로, 창상으로부터 멀어질수록 골 개조는 감소. • 임프란트를 지지하는 골의 최대 강도는 골이 형성되기 시작하여 12개월이 지나야, 즉 2차 광화가 완성되어야 얻어진다는 사실이 제안. • 증가된 골 개조 반응은 견고하게 유착된 임프란트의 장기적 유지에 공통적인 과정.

24. 피질골에서 골유착 임프란트의 계면골 성장의 시간적 과정

25. 골융합(Osseointegration) • Branemark 교수에 의해서 처음으로 사용된 용어로 골과 임프란트체가 임상적으로 직접 접착 되어 있는 상태.

26. Per-Ingvar Banemark(1977) • Direct structural and functional connection between ordered, living bone and the surface of a load-carrying implant). • Adell등(1992)등에 의한 fixture주위의 골의 적합과 재형성에 의한 장기적 안정성을 추가하여 정의.

27. AAID(1986) • 정상적으로 재생된 골과 임프란트사이에 골조직이 아닌 조직이 개제되지 않은 접촉으로, 임프란트에 가해지는 힘을 주위 골조직으로 직접 전달 분산시키게 된다고 하여 섬유성 부착(fibrointegration)과 구분하였다.

28. Meffert et al(1987) • Adaptative Osseointegration: 일반 타이타늄 임프란트의 골과의 기계적 결합은 광학 현미경하에서 골유착을 보임. • Biointegration: HA coated implant의 경우에는 전자 현미경하에서 물리적, 화학적 결합을 한다고 함.

29. P.J. Boyne(1987) • 골유착이라 하더라도 100% 골과 부착되지 않는다는 주장에 대항하여, 임프란트와 접촉하는 골조직은 그에 부수되는 석회화된 골조직과 그 부속 조직을 포함하는 조직과 부착되어 있다고 하여 골내에 위치하는 조직은 모두 골조직의 범주에 포함된다고 하여 골유착의 범위를 확장.

30. S. Steinmann(1991) • A solid ankylotic anchorage between implant and bone by the presence of regenerated bone right up to the metal surface.

31. Schroeder(1976) • Titanium의 표면처리에 따른 골과의 계면 반응을 연구하여 plasma coated implant는 골유도 효과를 가진다고 주장하였고, 또 임프란트의 형태는 골과의 직접 골유착, 즉 osseointegration에 중요하지 않다고 하였다.

33. 골유착의 과정 1.창상 치유(wound healing) 2.Stage I: Woven callus-6주 3.Stage II: Lamellar compaction-18주 재형성(remodeling)및 성숙(maturation) 4.Stage III: Interface remodeling-18주 5.Stage IV: Compacta maturation-54주

35. 성공적인 골유착의 초기 요구조건 1.초기에 하중을 받지 않도록 해야 한다(초기 고정). :매식 즉시 하중을 가하면 섬유성결합조직으로 둘러싸이게 된다(Brunski 등, 1979; Heimke 등, 1982). 2.산화막층이 오염되지 않도록 한다. :다른 금속, 단백질, 지방등으로 오염시 그 구성성분이 변화되어 염증반응 후 육아조직이 형성(Kasemo & Lausmaa, 1985, Albreksson 등, 1981). 3.적절한 온도하의 매식 수술이 이루어져야 한다. : 섭씨 47도로 1분이상 가하면 골내에서 alkaline phosphatase가 유리되어 alkaline-calcium합성이 이루어지지 않아 골유착이 일어나지 않는다(Eriksson & Albreksson, 1983,4; Eriksson & Adell, 1986).

36. Buser(1992) • 표면 처리에 따른 골유착율을 관찰하여 HA coating된 표면에서 골과의 유착이 가장 높았고, 강산으로 처리했을 때 역시 골유착율이 높았고, 그다음으로 TPS와 sandblasted된 표면의 순서였다고 발표하였다.

37. Block & Neary(1988), Brunski(1988) • 골유착이 완성되었을 때에 골과 임프란트 사이의 계면 접촉은 약 50~80%정도의 접촉율을 가진다고 하였다.

38. 임프란트의 임상적 생역학 • 치과용 임프란트에 가해지는 하중 :임프란트는 기능을 하는 상황에선 교합력에 의해 영향을 받는데, 교합력은 환자의 이상 습관에 따라 그 크기와 빈도 및 기간이 다르다. “피동적”인 기계적 하중이 치유 단계에서 임프란트에 가해질 수 있는데 이는 하악의 휨 현상과 일차 수술후 cover screw와의 접촉, 이차 수술에서 점막 관통 구조물과의 접촉에 기인한다. 혀와 구강 주위근육에 의해 발생하는 힘은 강도는 약하나 종종 임프란트 지대주에 수평력을 가할 수 있고 이런 힘은 구강내 이상습관 또는 혀 내밀기 등으로 더 커질 수 있다.마지막으로 고려할 사항은 non-passive prosthesis가 임프란트상에 만들어지면 기계적 하중이 임프란트에 가해질 수 있다.

39. 저작력의 연구 • 자연치열과 골유착성 임프란트 지지 보철물에서의 저작력과 최대 교합력을 비교시 별차이가 없으며 골유착성 임프란트 지지 보철물을 장착한 환자에서 교합력은 저작근의 근신경 기전을 통해서 조절된다고 하였다(Haraldson). • 임프란트 보철물이 성공하기 위해선 교합압으로 인한 임프란트 지지골에 가해지는 압력이 생체의 지지능력 이내에서 가해지도록 임프란트의 기계적 및 물리적 성질을 중요한 요소로 고려.

40. 생역학의 기본개념 및 원칙 • 힘(Force) 1.정상력(압축력 및 인장력) 2.전단력(shear force) :정상력은 물체의 표면이나 평면에 수직적으로 작용하는 힘으로, 압축력은 골-임프란트 계면의 integrity를 유지하는 경향을 갖고 인장력은 그러한 계면을 파괴하거나 이탈시키려는 경향. 전단력은 물체의 표면이나 평면에 평행하게 작용하여 골-임프란트 계면에 파괴적으로 작용. 압축력, 인장력, 전단력 하에서 장골의 피질골 강도를 조사해보면 압축력에 가장 강하고, 전단력에 가장 약한 것으로 나타난다.

42. 하중과 변형의 관계 • 임프란트는 부착된 조직과 탄성계수가 유사할수록그 표면에서 발생 가능한 운동은 줄어들고, 치밀골은 titanium보다 적어도 5배는 큰 탄성을 갖는다. • 점탄성적인 골은 하중이 적을 때 견고한 titanium과 확실히 접촉을 하나, 하중이 크면 임프란트 재료와 골간의 변형의 차가 커져 섬유조직이 계면사이로 성장. • 골의 밀도는 골의 하중에만 관련된 것이 아니라 탄성률과도 관계.

43. 하중과 변형의 관계 • 골질이 단단하면 더 견고하고, 부드러울 수록 더 탄력적으로 된다. • 연한 골질의 경우 하중을 감소시켜야 하는 점은 (1)탄성률의 차이에 의해 발생한 조직의 변형을 감소시키기 위해서이며, (2)연한 골은 낮은 항복강도를 가지기 때문이다.

44. 모멘트(Moment) • 회전이나 굽힘을 야기하려는 경향 • Moment=수직거리(moment arm) x 힘의 크기(force magnitude) • 임프란트 보철에서 임상적 모멘트 암은, 교합면 높이, cantilever length, 교합면의 넓이가 관여하는데 이러한 모멘트 암을 최소화함으로써 지지되지 않는 수복물을 피하게 하고, 각 성분들의 파절과 치조 정상부 골흡수와 임프란트 시스템의 완전 파절을 피할 수 있게 한다.

46. 피로 실패(Fatigue failure) • 반복되는 하중에 의해 나타나는데, 임프란트의 피로실패는 생체재료, 임프란트의 기하학적 구조, 힘의 강도, 반복횟수가 관여. • 임프란트에 가해지는 힘의 하중은 악골의 위치에 따라 그 크기가 다름을 파악해야 하고, 모멘트를 감소시키거나 부하에 저항할 수 있는 충분한 표면적을 확보(즉, 기능면적을 고려한 임프란트의 기하학 또는 임프란트 수 증가)해서 가능.

47. 임프란트 보철의 생역학적 고려사항 • 하중의 완압 시스템(cortical support) 임프란트 고정체 나선은 적당한 하중 전달을 위해 반드시 피질골과 결합 해야 함.

48. 임프란트 보철의 생역학적 고려사항 • 고정체 직경과 길이에 따른 고려 • 고정체의 치근 표면적 • 고정체와 상부구조의 치관 치근 비율 • 고정체의 개수 • 고정체의 배치(offset의 원칙) • 고정체의 식립 방향(교합력과 평행한 방향)

50. 임프란트 보철의 생역학적 고려사항 • Cantilever length • cantilever에 하중을 가하면 최후방 임프란트에는 과도한 압축력이 가해지고 전방 임프란트에는 과도한 인장력이 나타난다. 고로 긴 길이의 cantilever를 갖는 경우 주변골의 소실이나 보철물의 금속골격이 파절되는데, 금속 구조물의 파절은 대개 최후방 지대치와 cantilever와의 연결부에서 나타난다. • Hybrid type에서 추천되는 cantilever length는 하악 20, 상악 10mm를 넘지 말라고 함. • 최전방 임프란트에서 최후방 임프란트까지의 거리와 cantilever 길이 사이의 비가 1:2를 초과해선 안된다.