치과 임플란트에 사용되는 재료

치과용 임플란트 재료의 일반적인 요구 조건은 1) 생물학적 적합성(biological compatibility) 2) 기계적 적합성(mechanical compatibility), 3) 기능적 적합성(functionally compatibility), 그리고 4) 구조적 실용성(structural practicality)이다.

첫 번째인 생물학적 적합성은 주변조직과의 반응을 통해 임플란트 표면의 부식, 분해 등을 유발하지 않아야 하고, 기타 생물학적 불안전성을 야기하지 않아야 한다(ISO 10993). 두 번째인 기계적 적합성은 구강 내의 저작력에 충분히 견뎌야 하며, 반복적인 저작(피로강도)에도 견뎌야 한다. 또한 주변의 골조직과 유사한 탄성계수를 확보하여 골조직과의 계면을 따라 균일한 응력 분포를 갖기 위해서는 골과 유사한 탄성률을 가져야 한다. 금속은 높은 강도와 연성을 갖는 반면, 세라믹과 탄소는 부서지기 쉬운 재료이다. 연성은 높은 강도와 연성을 갖는 반면, 세라믹과 탄소는 부서지기 쉬운 재료이다. 연성은 높은 인장응력을 받는 임플란트 부위의 영구변형 가능성과 관련된다. 기타 구강위생 및 임상적인 심미성을 제공할 수 있어야 하며, 시술의 편리성과 실패 시 제거, 소독이 용이하여야 한다. 

브레네막교수의 광범위한 연구결과로 티타늄은 임플란트 재료 중 표준재료가 되었다. 티타늄은 비중이 스테인리스 강이나 코발트-크롬 합금의 거의 반 정도로 가볍고 용융점이 높아 주조가 어려워 선반 가공(milling)이 필요하다. 표면에 1/1,000초 내에 10A 두께의 산화물 층, 즉 치밀한 부동태 피막을 형성할 수 있는 능력을 가지고 있어 뛰어난 생체적합성과 내식성을 가진다. 하지만 부동태 상태에서도 티타늄이 비활성인 것은 아니며 티타늄 산화물의 화학적 용해로 티타늄 이온이 방출될 수 있다. 

순 티타늄은 산소가 침입형 고용체로써 침투시켜 그 양이 증가함에 따라 Grade 1에서 Grade 4까지 구분되며 강도는 Grade 4가 가장 높고 임플란트 재료로 가장 많이 사용되며 생체친화성은 산소의 양이 증가하면서 감소하는 경향을 보인다. 

동물 실험에서 가공된 표면이나 거친 표면 모두를 비교한 결과 뒤틀림 제거력과 골접촉률은 Grade가 낮은 순 티타늄이 우수하였다. 더 큰 강도가 요구되는 부위에는 순 티타늄보다 2-3배의 우수한 인장강도를 가진 α+β형 티타늄 합금인 Ti-6A-4V (Grade 5)이 사용되고 있으나 V이오의 강한 세포독성과 AI의 신경독성 등이 보고되고 있어, 최근에는 니오븀, 탄탈륨, 지르코늄 등이 포함된 β-형 티타늄합금(19장 비귀금속합금 중 06 티타늄 및 티타늄합금 참조)의 개발도 활발히 이루어지고 있다.

1975년 Schulte와 Heimke가 개발한 알루미나(alumimum oxide) 임플란트(Tuebingen Implant)를 시작으로 지르코니아(zirconium oxide)가 등장함에 따라 전통적인 임플란트의 주재료였던 티타늄의 대체 물질로 세라믹 재료의 본격적인 임상적용 연구가 시작되었다. 지르코니아의 골유착 등은 티타늄보다 조금 떨어지거나 기계적 특성, 적절한 연조직 반응과 심미성이 높고 금속에 알레르기가 있는 환자에게 사용할 수 있는 장점이 있다. 초기의 지르코니아 임플란트는 죽성이 불가능한 재료 가공의 한계로 일체형 임플란트 시스템으로 제조되었고 재료의 파열로 인한 지술적 결함과 티타늄과 같은 표면처리가 용이하지 않은 문제가 있었지만 CAD/CAM system의 발달로 충분한 장기적인 임상시험을 통해 생물학적 안전성을 확보되면 그 영역을 넓혀나갈 수 있을 것이다. 현재는 전치부 임플란트 시술에 일부 사용된다. 

그 외, 금속재료로는 우수한 생체적합성과 낮은 연성, 높은 탄성률, 그리고 뛰어난 내식성을 가진 탄탈륨(taltalium)은 낮은 가격에 백금과 유사하나, 백금 대비 강도가 높은 장점이 있어 초기 나선형 임플란트에서 일부 사용되었고, Co-Cr-Mo 합금, Ni-Cr-Mo-Be 합금인 Ticonium 등이 개발되었지만 티타늄보다 낮은 생체적합성으로 성공하지 못했다. 고분자 임플란트는 기계적인 성질이 약하고 생물학적 반응성이 좋지 않아 사용이 제한되는데, 최근 PEEK (Polyetheretherketone)와 같은 고기능성 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 수지의 개발과 3D 프린팅 기술 혁신을 통해 치과용 임플란트 재료로서의 가능성이 높아졌다. 이 재료의 장점은 높은 피로강도와 탄성계수, 탁월한 내화학성 및 내 멸균성, 응력 균열에 대한 우수한 내성 및 치수안정성이다. 그러나 이 재료의 임플란트에 대한 임상적 적용은 아직 초기 연구 단계에 있다. 

현재 사용되고 있는 티타늄(합금)과 세라믹 임플란트 재료는 성공적이지만 뼈와의 탄성계수의 차이가 여전히 큰 편이다. 볼프의 법칙(Wolff's law)에 의하면 뼈(망상골)의 내부 구성조직인 골소주(trabeculae)는 지속적으로 가해지는 응력에 반응한다. 즉 응력이 가해지면 두꺼워지고, 응력이 줄어들면 변형되거나 약해진다. 체내에서 뼈와 티타늄이 결합된 상태에서 탄성계수가 높은 티타늄이 교합응력의 대부분을 받게 되면 응력이 주어지지 않은 뼈가 약해지거나 소실되는 응력차폐현상(stress shielding phenomenon)이 나타나게 된다. 따라서 탄성계수가 뼈와 유사한 β-티타늄이나 복합재료 등 재료의 개발을 통해서 임플란트 주변 골의 응력차폐를 줄이려는 노력이 계속되고 있다.