Mécanique multi-échelles des tissus dentaires

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!Laboratoire!de!Mécanique!des!Sols,!Structures!et!Matériaux!
Centrale-Supélec!–!Grande!Voie!des!Vignes!–!92295!-!Châtenay-Malabry!
www.mssmat.ecp.fr!
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Mécanique*multi-échelles*des*tissus*dentaires*
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Mots*clés*:"mécanique""expérimentale";"microstructure";"imagerie"(MEB,"MEB-FIB,"CLSM)";"
nano-indentation";"odontologie";""biomécanique";"dentine";"émail"
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Encadrement*
Elsa"VENNAT"(MSSMat)":"[email protected]"
Jean-Marc"ALLAIN"(LMS)":"[email protected]"
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Lieux*de*travail*
• Laboratoire" MSSMat" (Centrale-Supélec)," Grande" Voie" des" Vignes," 95290" Chatenay-
Malabry"
• LMS"(Ecole"Polytechnique),"91128"Palaiseau"Cedex,"FRANCE"
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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)."
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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."
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Figure'1':'Microstructure'de'la'dentine'(gauche)'et'de'l’émail'(droite,'image'issue'de'[5]'modifiée)"
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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"?"
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Bibliographie*
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[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"damage-
tolerant"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."
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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"
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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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