Biomechanical Behavior of Varying Interproximal Contact Tightness on Teeth and Surrounding Structures: A Three-Dimensional Finite Element Analysis = 다양한 인접면 접촉 강도에 따른 생역학적 거동이 치아 및 주변 조직에 미치는 영향: 3차원 유한요소 분석

국문 초록 (Abstract)

목적: 인간의 악궁에 존재하는 인접 치아 사이의 적절한 접촉관계는 치열의 안정성과 연속성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다. 임상적으로 치아 사이의 접촉은 매우 중요한데, 과도한 접촉은 치아 간 쐐기작용으로 인해 바람직하지 않은 치아 이동을 초래하고, 반대로 접촉이 너무 약하면 식편 압입 등으로 인한 다양한 문제를 유발할 수 있다. 그러나 치의학 분야에서 이상적인 인접면 접촉 강도의 중요성이 인식되고 있음에도 불구하고, 인접면 부위의 미세 구조를 정밀하게 관찰하기는 어렵고 기존의 2차원 측정 방법에는 한계가 존재한다. 이에 본 연구는 인접면 접촉 강도의 차이가 교합하중 하에서 치아 및 주변 조직의 응력 분포와 변위 양상에 미치는 영향을 3차원 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 이용해 정량적으로 분석하고자 하였다.
방법: 정상 성인의 콘빔 전산화단층영상(CBCT) 자료를 활용하여 상악 우측 중절치부터 제2대구치까지 포함하는 상악골의 3차원 유한요소 모델을 구축하였다. 모든 치아에는 지르코니아 크라운을 가상으로 설계하였으며, 인접면 접촉 조건을 개방형(−10 ㎛), 수동 접촉(0 ㎛), 과도 접촉(+10, +20, +50 ㎛)으로 설정하였다. 과도 접촉 조건은 제1대구치의 근심, 원심 및 양측에 각각 부여하여 총 11개의 실험 모델을 제작하였다. 저작 시 하중을 모사하기 위해 31.84° 각도로 261 N의 정적 교합하중을 가하였으며, 상아질, 치주인대, 피질골, 시멘트층, 크라운의 각 구성 요소에서 최대 von Mises 응력과 변위를 산출하였다.
결과: 인접면 접촉 강도가 증가할수록 모든 구성 요소에서 응력과 변위가 상승하는 경향을 보였다. 양측 과도 접촉 조건에서 가장 높은 응력이 관찰되었으며, 상아질 97.86 MPa, 피질골 65.06 MPa, 치주인대 5.55 MPa로 나타났다. 변위는 제2소구치에서 가장 크게 관찰되었으며, 양측 +50 ㎛ 조건에서 최대 74.53 ㎛에 도달하였다. 근심측 과도 접촉 조건에서도 제2소구치 부위의 응력과 변위가 높게 나타났으나, 원심측 접촉에서는 하중이 제1대구치 방향으로 재분배되어 상대적으로 낮은 응력이 관찰되었다.
결론: 과도한 인접면 접촉 강도는 치주 지지조직에서 응력 집중과 치아이동 증가와 관련이 있었으며, 특히 양측 및 근심 접촉 조건에서 제2소구치의 생역학적 민감성이 두드러졌다. 이러한 결과는 생리적인 수준의 인접면 접촉 강도 유지와 교합 조화가 균형 잡힌 하중 분포와 치주조직의 안정성에 기여할 수 있음을 시사하며, 이를 위해 적절한 인접면 접촉 강도와 교합 조정의 중요성을 강조한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose: Proper interproximal contact between adjacent teeth within the dental arch plays a key role in maintaining the stability and continuity of the dentition. Clinically, such contact is highly significant, as excessive contact can produce a wedging effect that leads to undesirable tooth movement, while insufficient contact may result in food impaction and related problems such as dental caries, and periodontal disease. Although the importance of establishing ideal interproximal contact strength is well recognized in dentistry, it remains difficult to observe the fine microstructure of the contact area, and current two-dimensional measurement methods have inherent limitations. Therefore, this study aimed to evaluate biomechanical effects of varying interproximal contact tightness levels on teeth and adjacent structures using three-dimensional finite element analysis (FEA).
Materials & Methods: A three-dimensional finite element model of the maxilla, extending from the right central incisor to the second molar, was constructed using cone-beam computed tomography (CBCT) data from a healthy adult. Zirconia crowns were virtually designed for all fully prepared teeth, and interproximal contact conditions were set as open (−10 ㎛), passive (0 ㎛), and excessive (+10, +20, +50 ㎛). Excessive contact was applied to the first molar on the mesial, distal, and bilateral sides, resulting in a total of eleven experimental models. To simulate masticatory function, a static occlusal load of 261 N was applied at an angle of 31.84°. The maximum von Mises stress and displacement were calculated for each component, including dentin, periodontal ligament (PDL), cortical bone, cement layer, and crown.
Results: As interproximal contact tightness increased, both stress and displacement values increased across all components. The highest stress values were observed under bilateral excessive contact conditions, reaching 97.86 MPa in dentin, 65.06 MPa in cortical bone, and 5.55 MPa in the periodontal ligament. The greatest displacement occurred in the second premolar, reaching 74.53 ㎛ under the bilateral +50 ㎛ condition. In the mesial excessive contact condition, the second premolar also exhibited high stress and displacement, while the distal contact condition redistributed loading toward the first molar, resulting in relatively lower stress in the premolar region.
Conclusions: Excessively tight interproximal contacts were associated with increased stress concentration and displacement in periodontal supporting structures, particularly under bilateral and mesial contact conditions. The second premolar showed heightened biomechanical susceptibility. Together, these findings underscore the importance of appropriate proximal contact strength in conjunction with occlusal adjustment, as maintaining a physiological level of contact tightness and occlusal harmony may contribute to balanced stress distribution and periodontal stability.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials & Methods 6
• 3. Results 13
• 4. Discussion 24
• 5. Conclusions 31
• References 32
• Abstract in Korean 36