Mécanique multi-échelles des tissus dentaires

UMR 8579
Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux
Mécanique multi-échelles des tissus dentaires
Mots clés : mécanique expérimentale ; microstructure ; imagerie (MEB, MEB-FIB, CLSM) ;
nano-indentation ; odontologie ; biomécanique ; dentine ; émail
Encadrement
Elsa VENNAT (MSSMat) : [email protected]
Jean-Marc ALLAIN (LMS) : [email protected]
Lieux de travail
 Laboratoire MSSMat (Centrale-Supélec), Grande Voie des Vignes, 95290 ChatenayMalabry
 LMS (Ecole Polytechnique), 91128 Palaiseau Cedex, FRANCE
Contexte
Les propriétés mécaniques des tissus durs de la dent sont encore mal connues et le lien avec les
échelles plus fines n’est pas clairement établi [1]. L'intérêt de connaître ces propriétés est
double : d'une part, lors d'une perte de substance dentaire, ils constituent les tissus d'ancrage
des restaurations ; d'autre part, il peut s’avérer intéressant de s’en inspirer pour imaginer des
restaurations innovantes et plus performantes. L'approche thérapeutique actuelle tendant vers
la conservation maximale des tissus jusqu'à aller garder des tissus lésés pour y ancrer la
restauration, caractériser les tissus pathologiques est donc aussi crucial (bien que peu envisagé
dans les études existantes). Nous nous proposons donc d’investiguer les propriétés mécaniques
des tissus dentaires sains et lésés à différentes échelles en faisant le lien avec leur
microstructure. Pour cela différentes échelles seront envisagées et des techniques adaptées à
chaque échelle seront utilisées (microscopie optique, électronique, confocale par balayage
laser, micro-compression, nano-indentation).
Objectifs
Nous nous proposons donc d’investiguer les propriétés morphologiques et mécaniques
des tissus dentaires sains et lésés à différentes échelles et en lien avec leur microstructure.
A l’échelle du tissu (échantillon millimétrique), des essais de compression et de flexion
(dispositifs existants, [2]) seront réalisés sous microscopie optique afin de caractériser les
tissus. La matrice de rigidité obtenue lors de ces essais sera comparée à celle qui sera obtenue
par la méthode RUS ('Resonant Ultrasound Spectroscopy'), qui est une méthode de référence
pour la mesure de l'élasticité anisotrope de petits échantillons [3-4]. Ce type de comparaison
n’a jamais été réalisé à notre connaissance. Et bien que les tissus dentaires aient été beaucoup
étudiés mécaniquement, il a été relevé une grande disparité dans les résultats de module de
Young par exemple. Cette disparité est sans doute liée à des mesures de déplacements trop
approximatives, que nous surmonterons grâce aux mesures de champs sous microscope lors
des essais. Ainsi, cette étude permettra de comparer deux méthodes de caractérisation et de
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caractériser l’ensemble des tissus d’intérêt : émail sain, lésé et déminéralisé et, dentine saine,
lésée et déminéralisée. Il est important de noter que les tissus dentaires lésés ou déminéralisés
(contrairement aux tissus sains) ont été peu caractérisés mécaniquement donc l’étude
apportera une connaissance nouvelle de ces tissus. Les tissus lésés envisagés seront les
suivants : dentine et émail cariés, émail hypominéralisé, émail érodé.
Les tissus dentinaire et amélaire (émail) présentent des organisations non homogènes,
variant en fonction de leur localisation par rapport à la jonction amélo-dentinaire (JAD). C’est
pourquoi une échelle intermédiaire sera envisagée (échantillon d’une dizaine de microns de
côté) permettant de sonder ces couches de matériaux (la figure 1 illustre ces zones pour la
dentine et l’émail respectivement).
Cette échelle intermédiaire permettra aussi de s’intéresser aux tissus lésés qui n’ont pas
toujours des dimensions compatibles aux essais à l’échelle précédente. Il s’agira donc d’isoler
les zones d’intérêt et de les observer et solliciter mécaniquement. Pour les observer, le MEB-FIB
permettra de caractériser la microstructure de la dentine et de l’émail lésé. Pour les solliciter
mécaniquement, une méthode similaire à celle de Ziskind et al. [6] sera adoptée en réalisant
des micro-plots de tissu à l’aide du MEB-FIB et en les comprimant à l’aide d’un indenteur plat.
Préalablement, le réseau poreux de la zone de tissu (source d’anisotropie) sera déterminé par
microscopie confocale à balayage laser [7] et donc le lien microstructure/propriétés élastiques
sera investigué de manière fine. Les caractéristiques mécaniques locales en surface seront aussi
déterminées en amont à l’aide de la microscopie à force atomique.
Figure 1 : Microstructure de la dentine (gauche) et de l’émail (droite, image issue de [5] modifiée)
De plus, après essais (élastique ou non), la microstructure (endommagée ou non) pourra être
imagée à l’aide du MEB-FIB permettant soit de compléter la connaissance de la microstructure
(si essai en élasticité) soit d’identifier les points de rupture et lieux de fissuration (si essai à la
rupture). Notamment, la question du rôle des micro-canaux du manteau dentinaire et de la
forme en S des tubules dans cette même zone [7] pourra être adressée. La question de l’impact
des différentes zones du tissu sur son comportement global déterminé à l’échelle au dessus
sera posée.
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Ce projet de thèse se place donc à l’interface des domaines de la biologie, la mécanique
et la physique en tentant d’aborder les tissus dentaires et leur comportement mécanique de
manière inédite. Les tissus dentaires étant de petites dimensions, il était jusqu’à maintenant
assez difficile d’étudier leurs propriétés locales de manière fine (en particulier les tissus
dentaires lésés ayant des dimensions non maîtrisées). Avec des techniques de pointes telles
que le FIB-MEB, les microscopies confocale à balayage laser et à force atomique, nous
comptons tenter de combler ce manque de connaissance et faire le lien entre la microstructure
locale (variant à l’intérieur même du tissu) et ses propriétés mécaniques. Cette étude
permettra de mieux comprendre le rôle des gradients de microstructure à l’intérieur du tissu
dentaire sain (et lésé). En comprenant l’impact de la microstructure sur le comportement
mécanique, des pistes pourront être dégagées sur comment restaurer au mieux les tissus en
répondant par exemple aux questions suivantes : y-a-t-il des caractéristiques intéressantes à
reproduire pour le matériau de restauration ? Est-il intéressant de s’ancrer sur un tissu lésé ?
Bibliographie
[1]
J. H. Kinney, S. J. Marshall, and G. W. Marshall. The mechanical properties of human
dentin: a critical review and re-evaluation of the dental literature. Critical Reviews in Oral
Biology & Medicine, 14(1):13-29, 2003.
[2] W. Wang, N. Roubier, G. Puel, J.-M. Allain, I. C. Infante, J.-P. Attal, and E. Vennat. A new
method combining finite element analysis and digital image correlation to assess
macroscopic mechanical properties of dentin. Materials, 8(2):535--550, 2015.
[3] S Bernard, Q. Grimal and P Laugier. Accurate measurement of cortical bone elasticity
tensor with resonant ultrasound spectroscopy. Journal of the Mechanical Behavior of
Biomedical Materials, 18:12-19, 2013.
[4] S. Bernard, J. Schneider, P. Varga, P. Laugier, K. Raum, Q. Grimal. Elasticity-density and
viscoelasticity-density relationships at the tibia mid-diaphysis assessed from resonant
ultrasound spectroscopy measurements. Biomech Model Mechanobiol. 2015
[5] S. Bechtle, H. Özcoban, E. T. Lilleodden, N. Huber, A. Schreyer, M. V. Swain, and G. A.
Schneider. Hierarchical flexural strength of enamel: transition from brittle to damagetolerant behaviour. Journal of The Royal Society Interface, 9(71):1265--1274, 04 2012.
[6] D. Ziskind, S. Fleischer, K. Zhang, S. R. Cohen, and H. D. Wagner. A novel experimental
method for the local mechanical testing of human coronal dentin. Dental Materials,
26(2):179 - 184, 2010.
[7] E. Vennat, W. Wang, A. Gourrier, R. Genthial, and and J.-P. Attal. 3D imaging of the
dentinal porous structure using confocal laser scanning microscopy. In 4Th international
conference on computational and mathematical biomedical engineering, 2015.
Profil candidat
Les compétences demandées pour cette thèse sont :
•
Un solide bagage en mécanique expérimentale
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•
Une expérience en imagerie (idéalement en MEB-FIB)
 Une ouverture d’esprit indispensable à la réalisation de ce projet transdisciplinaire
Les compétences suivantes seraient vues comme un plus:
•
Une expérience dans le domaine de la Biomécanique
•
Une expérience en imagerie 3D
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