Effects of thread geometry on stress distribution and initial stability of dental implant = 치과용 임플란트의 나사산 설계가 응력 분포와 고정력에 미치는 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose
This study aimed to evaluate both finite element analysis (FEA) and in vitro resonance frequency analysis (ISQ) to evaluate the effects of thread depth and pitch on the biomechanical performance and primary stability of dental implants in bones of varying quality.

Materials and Method
Twelve implant models with varying thread depths (0.4–1.0 mm) and pitches (0.8–1.2 mm) were designed using computer-aided design software and analyzed via finite element analysis under vertical (200 N) and oblique (100 N, 30°) loading in two bone models: D3 bone (representing ordinary bone quality) and simulated osteoporotic bone. Implants and bone structures were assigned isotropic, linearly elastic properties. Fully bonded contact conditions were assumed at all interfaces. Implant stability was additionally evaluated in vitro using polyurethane foam blocks (pounds per cubic foot (PCF) 10 and PCF 20) to simulate osteoporotic and D3 bone, respectively. Four implant types were tested: BLX® (Straumann Co., Basel, Switzerland), BLT® (Straumann Co., Basel, Switzerland), and two BlueDiamond® (MegaGen Co., Daegu, Korea) implants featuring regular or deep thread designs. A total of 80 implants were placed following standardized drilling protocols. Resonance frequency analysis (RFA) was performed using the MEGA ISQ® device (MegaGen Co., Daegu, Korea). Mean implant stability quotient (ISQ) values were compared between groups using t-test with a significance level of α = 0.05.

Results
Finite element analysis revealed that stress and implant displacement were higher in osteoporotic bone than in D3 bone under all loading conditions. Oblique loading consistently increased crestal cortical stress and implant micromotion, with the maximum stress concentration occurring around the first thread. Increasing thread depth reduced trabecular stress under vertical loading but increased cortical stress and implant displacement under oblique loading, particularly in deeper-thread models. Thread pitch had a less consistent and minimal effects. In the artificial bone model test, BLX® implants exhibited significantly higher ISQ values than BLT® implants in osteoporotic and D3 bone models (p < 0.01). BlueDiamond® implants with deep threads showed significantly greater stability than regular-thread implants in both bone conditions (p < 0.001).

Conclusion
Thread depth was identified as a significant factor influencing implant biomechanics and primary stability in low-density bone. Deeper threads enhanced stress distribution and reduced displacement in FEA simulations, while in vitro testing yielded higher ISQ values, particularly in osteoporotic bone. These findings support optimizing thread depth as a key strategy for improving implant stability in compromised bone conditions.

국문 초록 (Abstract)

목적
본 연구는 유한요소분석을 이용하여 골질에 따른 나사형 임플란트의 피치 및 깊이 변화가 골 내 응력 분포 및 임플란트 변위에 미치는 생역학적 영향을 평가하고자 하였다. 또한, 나사산 디자인에 따른 초기 고정력을 공진주파수분석을 통해 평가하고자 하였다.

재료 및 방법
설계 소프트웨어를 이용하여 나사 피치(0.8, 1.0, 1.2 mm)와 깊이(0.4, 0.6, 0.8, 1.0 mm)를 조합한 총 12개의 임플란트 모델을 제작하였다. 골 모델은 피질골 두께가 각각 1.5 mm와 0.5 mm인 D3 골 및 골다공증 골로 구성하였다. 모든 재료는 등방성 및 선형 탄성체로 가정하였다. 하중 조건은 수직 하중(200 N)과 30°의 경사로 가해지는 사선 하중(100 N)으로 설정하였으며, 피질골 및 해면골의 von Mises 응력과 임플란트 변위를 분석하였다. 또한, 폴리우레탄 블록(pounds per cubic foot (PCF) 10 및 20)을 이용한 인공골 모형 실험을 통해 implant stability quotient (ISQ) 측정을 수행하였다. 실험에는 BLX® (Straumann Co., Basel, Switzerland), BLT® (Straumann Co., Basel, Switzerland) 및 BlueDiamond® (MegaGen Co., Daegu, Korea) 임플란트 2종(일반형 및 심부 나사산)이 사용되었으며, 총 80개의 임플란트를 각 회사의 드릴링 프로토콜에 따라 식립하였다. 초기 고정력은 MEGA ISQ® (MegaGen Co., Daegu, Korea) 장비를 이용해 측정하였고, 집단 간 비교는 t-검정을 통해 분석하였다 (유의수준 α = 0.05).

결과
유한요소분석 결과, 골다공증 골 모델에서 D3 골보다 응력 및 임플란트 변위가 더 높게 나타났으며, 사선 하중 조건에서는 항상 더 큰 crestal cortical stress와 미세이동이 발생하였다. 나사산 깊이가 증가할수록 수직 하중 하에서는 해면골 응력이 감소하였지만, 측방 하중 하에서는 피질골 및 해면골 응력과 변위가 증가하였다. 나사산 피치는 상대적으로 일관되지 않고 영향력이 제한적이었다. 모형 실험 결과, BLX® 임플란트는 BLT®보다 유의하게 높은 초기 고정력 값을 보였고 (p < 0.01), BlueDiamond® 임플란트 또한 깊은 나사산이 일반 나사산보다 유의하게 높은 초기 고정력 값을 나타냈다 (p < 0.001).

결론
나사산 깊이는 골질이 저하된 경우 임플란트의 생역학적 안정성과 초기 고정성에 중요한 영향을 미치는 요인으로 확인되었다. 깊은 나사산은 응력 분산을 개선하고 임플란트 변위를 감소시키며, 특히 골다공증 골에서 일반 나사산보다 더 높은 ISQ 값을 나타냈다. 이러한 결과는 골질이 저하된 조건에서 임플란트의 안정성 향상을 위해 나사산 깊이의 최적화가 중요한 역할을 한다는 점을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 4
• Ⅱ.1. Finite element analysis 4
• Ⅱ.1.1. Three-dimensional model design 4
• Ⅱ.1.2. Mechanical properties of the materials 5
• Ⅱ.1.3. Contact and meshing 7
• Ⅱ.1.4. Boundary and loading conditions 8
• Ⅱ.2. Artificial bone model test 9
• Ⅱ.2.1. Artificial bone models 9
• Ⅱ.2.2. Implants 10
• Ⅱ.2.3. Implant placement protocol 10
• Ⅱ.2.4. Measurement of implant stability 11
• Ⅱ.2.5. Statistical analysis 11
• Ⅲ. Results 13
• Ⅲ.1. Finite element analysis 13
• Ⅲ.1.1. Vertical loading (200 N) 13
• Ⅲ.1.2. Oblique loading (100 N at 30°) 13
• Ⅲ.1.3. Effects of thread pitch and depth 14
• Ⅲ.2. Artificial bone model test 16
• Ⅲ.2.1. Comparison between BLX® and BLT® implants 16
• Ⅲ.2.2. Comparison of implant stability between deep and regular thread designs in BlueDiamond® implants 16
• Ⅳ. Discussion 18
• Ⅴ. Conclusion 28
• References 30
• Tables 38
• Figures and Figure Legends 47
• Abstract in Korean 76