Mécanique multi-échelles des tissus dentaires

Mécaniquemulti-échellesdestissusdentaires
Motsclés:mécaniqueexpérimentale;microstructure;imagerie(MEB,MEB-FIB,CLSM);
nano-indentation;odontologie;biomécanique;dentine;émail
Encadrement
ElsaVENNAT(MSSMat):[email protected]
Jean-MarcALLAIN(LMS):[email protected]
Lieuxdetravail
• Laboratoire MSSMat (Centrale-Supélec), Grande Voie des Vignes, 95290 ChatenayMalabry
• LMS(EcolePolytechnique),91128PalaiseauCedex,FRANCE
Contexte
Lespropriétésmécaniquesdestissusdursdeladentsontencoremalconnuesetlelienavecles
échelles plus fines n’est pas clairement établi [1]. L'intérêt de connaître ces propriétés est
double:d'unepart,lorsd'unepertedesubstancedentaire,ilsconstituentlestissusd'ancrage
desrestaurations;d'autrepart,ilpeuts’avérerintéressantdes’eninspirerpourimaginerdes
restaurationsinnovantesetplusperformantes.L'approchethérapeutiqueactuelletendantvers
la conservation maximale des tissus jusqu'à aller garder des tissus lésés pour y ancrer la
restauration,caractériserlestissuspathologiquesestdoncaussicrucial(bienquepeuenvisagé
danslesétudesexistantes).Nousnousproposonsdoncd’investiguerlespropriétésmécaniques
des tissus dentaires sains et lésés à différentes échelles en faisant le lien avec leur
microstructure.Pourceladifférenteséchellesserontenvisagéesetdestechniquesadaptéesà
chaque échelle seront utilisées (microscopie optique, électronique, confocale par balayage
laser,micro-compression,nano-indentation).
Objectifs
Nousnousproposonsdoncd’investiguerlespropriétésmorphologiquesetmécaniques
destissusdentairessainsetlésésàdifférenteséchellesetenlienavecleurmicrostructure.
Al’échelledutissu(échantillonmillimétrique),desessaisdecompressionetdeflexion
(dispositifs existants, [2]) seront réalisés sous microscopie optique afin de caractériser les
tissus.Lamatricederigiditéobtenuelorsdecesessaisseracomparéeàcellequiseraobtenue
parlaméthodeRUS('ResonantUltrasoundSpectroscopy'),quiestuneméthodederéférence
pourlamesuredel'élasticitéanisotropedepetitséchantillons[3-4].Cetypedecomparaison
n’ajamaisétéréaliséànotreconnaissance.Etbienquelestissusdentairesaientétébeaucoup
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
desessais.Ainsi,cetteétudepermettradecomparerdeuxméthodesdecaractérisationetde
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caractériserl’ensembledestissusd’intérêt:émailsain,léséetdéminéraliséet,dentinesaine,
léséeetdéminéralisée.Ilestimportantdenoterquelestissusdentaireslésésoudéminéralisés
(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:dentineetémailcariés,émailhypominéralisé,émailérodé.
Lestissusdentinaireetamélaire(émail)présententdesorganisationsnonhomogènes,
variantenfonctiondeleurlocalisationparrapportàlajonctionamélo-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
dentineetl’émailrespectivement).
Cetteéchelleintermédiairepermettraaussides’intéresserauxtissuslésésquin’ontpas
toujoursdesdimensionscompatiblesauxessaisàl’échelleprécédente.Ils’agiradoncd’isoler
leszonesd’intérêtetdelesobserveretsollicitermécaniquement.Pourlesobserver,leMEB-FIB
permettradecaractériserlamicrostructuredeladentineetdel’émaillésé.Pourlessolliciter
mécaniquement, une méthode similaire à celle de Ziskind et al. [6] sera adoptée en réalisant
desmicro-plotsdetissuàl’aideduMEB-FIBetenlescomprimantàl’aided’unindenteurplat.
Préalablement,leréseauporeuxdelazonedetissu(sourced’anisotropie)seradéterminépar
microscopieconfocaleàbalayagelaser[7]etdonclelienmicrostructure/propriétésélastiques
serainvestiguédemanièrefine.Lescaractéristiquesmécaniqueslocalesensurfaceserontaussi
déterminéesenamontàl’aidedelamicroscopieàforceatomique.
Figure1:Microstructuredeladentine(gauche)etdel’émail(droite,imageissuede[5]modifiée)
Deplus,aprèsessais(élastiqueounon),lamicrostructure(endommagéeounon)pourraêtre
imagéeàl’aideduMEB-FIBpermettantsoitdecompléterlaconnaissancedelamicrostructure
(siessaienélasticité)soitd’identifierlespointsderuptureetlieuxdefissuration(siessaiàla
rupture). Notamment, la question du rôle des micro-canaux du manteau dentinaire et de la
formeenSdestubulesdanscettemêmezone[7]pourraêtreadressée.Laquestiondel’impact
des différentes zones du tissu sur son comportement global déterminé à l’échelle au dessus
seraposée.
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Ceprojetdethèseseplacedoncàl’interfacedesdomainesdelabiologie,lamécanique
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
comptonstenterdecomblercemanquedeconnaissanceetfairelelienentrelamicrostructure
locale (variant à l’intérieur même du tissu) et ses propriétés mécaniques. Cette étude
permettrademieuxcomprendrelerôledesgradientsdemicrostructureàl’intérieurdutissu
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 tissusen
répondant par exemple aux questions suivantes : y-a-t-il des caractéristiques intéressantes à
reproduirepourlematériauderestauration?Est-ilintéressantdes’ancrersuruntissulésé?
Bibliographie
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conferenceoncomputationalandmathematicalbiomedicalengineering,2015.
Profilcandidat
Lescompétencesdemandéespourcettethèsesont:
•
Unsolidebagageenmécaniqueexpérimentale
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•
Uneexpérienceenimagerie(idéalementenMEB-FIB)
• Uneouvertured’espritindispensableàlaréalisationdeceprojettransdisciplinaire
Lescompétencessuivantesseraientvuescommeunplus:
•
UneexpériencedansledomainedelaBiomécanique
•
Uneexpérienceenimagerie3D
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