Strain gauge analysis of occlusal forces on implant prosthesis at various occlusal heights

Abstract

Purpose: The application of dental occlusion concepts to endosseous implants has been controversial for many years. Since dental implants are weak on lateral forces, it is desirable to apply the appropriate occlusion concepts depending on the individual's mastication characteristics in order to improve the long-term prognosis of implant restorations. The purpose of this study is to evaluate and compare the strain development at different occlusal heights of the implant prosthesis and adjacent teeth by using strain gauges. Material and Methods: The test model was constructed using auto-polymerizing polyurethane resin, artificial resin teeth and an implant gold crown (#46i). Group function occlusal scheme was established using a Hanau articulator. The resin block containing implant fixture and implant gold crown was sectioned into 12×20×12 mm segment and 2 expansion screws were attached perpendicularly to the bottom of the resin block on the buccal and lingual sides. The expansion screws were turned to make a gap. Four groups were assigned depending on the occlusal height of the implant gold crown. Group 1 : Occlusal height of implant gold crown was 46 ㎛ lower than adjacent teeth. Group 2 : Occlusal height of implant gold crown was 23㎛ lower than adjacent teeth. Group 3 : Occlusal height of implant gold crown was just the same as adjacent teeth. Group 4 : Occlusal height of implant gold crown was 23 ㎛ higher than adjacent teeth. Three strain gauges were attached to the buccal surface of the mandibular second premolar(#45), implant gold crown(#46i) and the mandibular second molar(#47). A dynamic signal conditioning strain amplifier was connected and an analyzing program was used to measure, record, and process the strain values. Beef jerky, carrot and bread were used as test foods. Instron was used to apply compressive forces of 300 N(beef jerky), 250 N(carrot) and 50 N(bread) and occlusal force was measured in each group. For statistical analysis of the 4 groups, frequency analysis, one-way ANOVA, and two-way ANOVA were performed, with the level of significance set at α=0.05. Results: The mean strain values for the implant prosthesis of group 1 was 33.31 N, group 2 was 34.97 N, group 3 was 89.77 N and group 4 was 100.27 N when biting beef jerky. In the case of carrot, the mean strain values for the implant prosthesis of group 1 was 119.96 N, group 2 was 126.86 N, group 3 was 167.05 N, and group 4 was 209.14 N. For bread, the mean strain values for the implant prosthesis of group 1 was 3.76 N, group 2 was 3.84 N, group 3 was 5.75 N and group 4 was 8.50 N. Conclusion: The strain gauges attached to the implant prosthesis and adjacent teeth showed different strain values according to the occlusal height of the implant prosthesis. In the case of carrot and bread, decreasing the occlusal height had not significant affect on the adjacent teeth. For beef jerky, decreased occlusal height of the implant prosthesis exerted a harmful effect on the adjacent teeth.; 연구목적: 임플란트 보철물의 교합 높이에 관한 의견들에는 논쟁의 여지가 많은데 임플란트를 식립한 환자의 경우 교합압의 양상에 따라 환자 개개인에 맞는 교합 디자인을 적용함으로서 임플란트 수복물의 장기적인 예후를 개선시키는 것이 바람직하다. 임플란트의 경우 치근막공간이 존재하지 않고 골유착되기 때문에 많은 술자들은 임플란트를 보호하기 위하여 주변치아보다 교합을 낮게 형성시켜주는 경향이 있다. 이에 대한 평가를 위하여 본 연구에서는 하악 제1대구치 단일 임플란트 보철물의 교합 높이를 조절할 수 있도록 실험 모형을 만들고 스트레인 게이지와 로드셀을 이용하여 교합압을 측정하여 적절한 교합 높이에 대하여 분석하고자 하였다. 재료 및 방법: 실제 구강 환경을 재현하기 위하여 상하악 레진 치아 치근 표면에 실리콘 인상재를 도포하여 치주인대를 재현한 후 실제 치조골과 탄성률이 유사한 레진에 포매하고 하악 제1대구치 위치에는 임플란트를 식립하여 대합치와 정확한 교합이 되도록 임플란트 금관을 제작하였다. 교정용 확장 나사를 이용하여 모형상에서 교합 높이 조정이 가능하도록 디자인하였고 임플란트 보철물의 교합 높이에 따라 4개의 군으로 나누었다. 대조군(3군)으로 교합 높이가 인접 자연치와 같은 경우를 설정하였고, 실험군으로 23 ㎛ 교합지 2장 두께(1군), 1장 두께(2군)로 이개시켜 저위 교합된 경우와 1장의 두께로 고위 교합된 경우(4군)로 나누고 각 군에 대하여 치아 협측에 교합면과 수직으로 부착된 스트레인 게이지를 이용하여 치아에 가해진 교합력을 측정하였다. 식빵, 당근, 육포를 12개씩 저작시켜 각각 20회씩 교합압을 측정하였는데 먼저 하중에 따른 전압 변화를 알고 있는 로드셀로 구강모형을 마운팅한 교합기에서 임플란트 치아 및 인접치아의 기준 교합력을 구한 다음, 만능시험기(Instron)에서 각 음식에 따른 하중을 가하여 치아에 인기된 교합력을 측정하였다. 결과: 300N의 압축력을 가한 육포의 경우 임플란트 1군, 2군, 3군, 4군에서 각각 33.31 N, 34.97 N, 89.77 N, 100.27 N의 결과를 나타내었고, 250 N의 압축력을 가한 당근의 경우 119.96 N, 126.87 N, 167.06 N, 209.14 N의 결과를 나타내었다. 또한, 50 N의 압축력으로 가한 식빵의 경우 1군, 2군, 3군, 4군에서 각각 3.76 N, 3.84 N, 5.75 N, 8.50 N을 나타내었다. 결론: 스트레인 게이지와 로드셀을 이용하여 단일 임플란트 보철물 및 인접치아에 가해진 교합력을 측정한 결과, 음식물의 종류와 임플란트 보철물의 교합 높이에 따른 차이가 나타났다. 교합력이 균등하게 전달되는 당근이나 식빵의 경우 임플란트 보철물의 교합 높이가 증가하거나 감소하여도 주변 치아에 심각한 영향을 주지 않았으나 질긴 육포의 경우 임플란트 교합 높이가 감소하면 주변치아로 힘이 집중되는 양상을 나타내었다.