1. Propriétés mécaniques

Transcription

1 Cours de choix des matériaux, EPFL, semestre d été 2003 Catherine Tomicic Julien Plojoux Olivier Schmid Olivier Comte Introduction Etude de cas : choix des matériaux pour une prothèse dentaire Rapport intermédiaire : Cahier des charges Après avoir défini le système et les interactions de celui-ci avec son environnement, il nous est maintenant possible d établir un cahier des charges qui va nous guider dans le choix des matériaux de ce système. Ce deuxième rapport intermédiaire se divise en trois étapes. Tout d abord, nous allons établir une liste des exigences nécessaire aux choix des matériaux. Ensuite, nous allons donner un poids à ces exigences. Finalement, nous allons rassembler toutes les informations sous forme d un tableau établissant ainsi le cahier des charges. Le but de ce dernier est d une part de rassembler toutes les exigences et d autre part de déterminer leur importance relative. Liste des exigences La première étape nécessaire à l établissement d un cahier des charges est l énumération de toutes les exigences requises par notre système. Dans le cas des prothèses dentaires, nous allons tout d abord distinguer les grandes classes d exigences afin de mieux répartir ces exigences en catégories que nous traiterons ensuite séparément lors de la pondération de chaque exigence. Les catégories principales pour un tel produit sont les suivantes: Tout d abord, il y a les propriétés mécaniques qui doivent correspondre aux exigences de l utilisation clinique. Ensuite, au niveau des propriétés chimiques, on désire obtenir une bonne inertie avec une dégradation aussi faible que possible du système. En ce qui concerne l état de surface de l implant, un bon contrôle de celui-ci sera nécessaire pour une bonne intégration. À propos du comportement biologique, différentes exigences seront à considérer selon les pièces du système. En effet, on voudra obtenir une passivité maximale vis-à-vis des tissus environnants en ce qui concerne l abutment et la couronne et on voudra au contraire stimuler au maximum l ostéointégration de l implant afin de réduire le temps d'assimilation de ce dernier. Bien évidemment, il faudra également respecter la biocompatibilité de tous les matériaux. En plus de cela, il va falloir considérer les aspects de coût des matériaux, leur disponibilité et les possibilités de leur mise en œuvre. Un dernier thème majeur de notre étude sera les considérations esthétiques du système.

2 1. Propriétés mécaniques Dans ce domaine, les exigences sont diverses. Tout d abord, on attend d une prothèse dentaire qu elle ait des propriétés mécaniques (au sens large du terme) aussi proches que possible voir supérieures à celles d une dent naturelle, elle-même constituée des trois tissus de base suivants: la dentine, le cément et l émail. On évitera notamment d avoir une limite à la rupture inférieure à celle de l émail qui est le «revêtement naturel» d une dent afin que la mastication normale n endommage pas la prothèse. Dans ce sens, les exigences sont les suivantes : Implant Limite à la rupture 300 Mpa (limite à la rupture de la dentine) Limite élastique 170 Mpa (limite élastique de la dentine) Module d élasticité 18 Gpa (module d élasticité de la dentine) Dureté Knoop > 68 kg/mm 2 (Dureté de la dentine) K 1C (ténacité) particulièrement important dans le cas d un implant céramique > 10 Mpa m 1/2. Abutment Limite à la rupture 300 Mpa (limite à la rupture de la dentine) Limite élastique 170 Mpa (limite élastique de la dentine) Module d élasticité 18 Gpa (module d élasticité de la dentine) Dureté Knoop > 68 kg/mm 2 (Dureté de la dentine) K 1C (ténacité) particulièrement important dans le cas d un abutment céramique > 10 Mpa m 1/2. Couronne Limite à la rupture 384 Mpa (limite à la rupture de l émail) Module d élasticité 84.1 Gpa (Module d élasticité de l émail) Dureté Knoop < 343 kg/mm 2 (dureté de l émail) car si elle est trop élevée, la force est directement transmise à l os et on risque une usure antagoniste de la dent opposée. K 1C (ténacité) > 10 Mpa m 1/2. Pour toute la prothèse : résistance à la fatigue (63 millions de cycles à 200 N 1 ) 1 Correspond à environ une mastication toutes les 10 secondes pendant 20 ans (force de mastication = 800 / 4 molaires).

3 2. Propriétés chimiques En ce qui concerne les propriétés chimiques, elles vont être importantes principalement au niveau de la dégradation de la prothèse. En effet, le milieu buccal est un milieu biologique complexe. C est un milieu aqueux contenant différents ions (Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, phosphates, bicarbonates, fluorures, etc.), des substances organiques (protéines, etc.), de l oxygène dissous avec ph d environ 7,4 relativement constant. De plus, comme nous l avons spécifié dans la définition du système, la prothèse est composée de trois parties qui vont forcément interagir. Tout cela implique un certain nombre d exigences répondant aux normes ISO TC 106 / SC 2 : Résistance à la corrosion galvanique au contact entre les différents composants de la prothèse. Résistance aux attaques acides. Stabilité de la couche d oxyde dans le cas de l utilisation de métal influencée par le ph, les substances organiques et le niveau d oxygène dissous. Si cette couche est affectée, cela peut provoquer de la corrosion par piqûre ou en crevasse. Résistance à la corrosion sous. 3. Etat de surface L état de surface concerne principalement l implant car en ce qui concerne la couronne, cette considération sera d avantage esthétique, ce qui sera traité par la suite. Dans le cas de l implant, l état de surface est primordial dans le sens où c est ce dernier qui sera déterminant dans le temps nécessaire à une ostéosynthèse efficace. Dans ce sens, il n y a qu une seule exigence : Etat de surface permettant la pose du moignon en 3 semaines maximum. Couronne lisse au toucher. 4. Comportement biologique Les prothèses dentaires se trouvant dans un milieu vivant - la bouche - le comportement biologique des matériaux utilisés a une grande importance quant à l intégration de cette dernière au milieu. Cela signifie qu il faut éviter les phénomènes de rejet et favoriser l ostéointégration de l implant (ce qui a déjà donné lieu à une exigence au paragraphe 2.4.3). Pour cela les exigences suivantes doivent être respectées : Biocompatibilité des matériaux utilisés. Pas de formation de tissu entre l implant et la mandibule. 5. Coût des matériaux Etant donné que concernant les prothèses dentaires, le coût des matériaux est insignifiant par rapport aux frais d honoraires des praticiens, aucune exigence particulière n est considérée dans ce domaine. En effet, le coût des matériaux dentaires n est pas limitatif dans le choix de ce derniers.

4 6. Mise en œuvre des matériaux Les exigences liées à la mise en œuvre des pièces du système sont d ordre qualitatif. En effet, les seules exigences dans ce domaine résident dans la précision dimensionnelle des pièces ou leur compatibilité et non dans la facilité de mise en œuvre qui, elle, apparaît en second plan : Précision d ajustement entre l implant, le moignon et la couronne selon normes ISO (VSM 1997) degré f (fin) : tolérance +/ [mm] pour des cotes nominales comprises entre 0.5 et 6 [mm] Compatibilité des températures au niveau de la couronne lors de la cuisson de la céramique sur l armature métallique Pas de métaux formant de grosses couches d oxyde au delà de 1000 C (dans le cas de couronnes céramo métalliques). 7. Esthétique Les considération esthétiques sont également très importante car même si une prothèse dentaire se doit avant tout d être fonctionnelle, personne ne veut être «défiguré». Il faut que les prothèses paraissent aussi naturelles que possibles. Définition précise des teintes selon le teintier Vitapan 3D Master. Tenue de la coloration aux UV. Attribution des poids Dans le cadre de l attribution des poids, nous avons tout d abord réorganisé nos exigences considérant indépendamment chaque partie de notre prothèse (implant, abutment et couronne). Par la suite, nous avons rassemblé nos exigences en en catégories afin d obtenir environ 6 critères simultanément par catégorie et de pouvoir ainsi établir les matrices de poids par logique digitale correspondantes. Nous avons donc distingué les exigences mécaniques auxquelles nous avons attribué un poids de 500/1000, les exigences chimiques et biologiques (poids = 450), les exigences d état de surface et esthétisme (uniquement pour la couronne) (poids = 250) et finalement les exigences coût-mise en œuvre (poids = 50). Le choix de l attribution des poids a été motivé par le fait que, d une part, les considérations économiques entrent en second plan compte tenu des frais hospitaliers. Ensuite, les exigences sur l esthétisme et de l état de surface sont plutôt de l ordre du confort et, par conséquent apparaissent comme moins importantes que les considérations fonctionnelles de la prothèse. Elles ne sont en fait importante que pour la couronne. Nous allons d ailleurs voir plus loin que dans cette catégorie, on rencontre une majorité de critères «souhaitables». Finalement, les exigences mécaniques et chimiques sont celles qui ont le plus de poids car ce sont celles qui sont déterminantes pour une prothèse efficace et durable.

5 IMPLANT : Exigences mécaniques : poids attribué = 450/1000 Rm Re E fatigue Knoop K1C K i ω i Rm X Re 1 X E 1 0 X fatigue X Knoop X K1C X Total Exigences Chimiques-Biologiques : poids attribué = 500/1000 galvanique Attaques acides Stabilité couche sous Biocompatibilité Pas de tissu Ostéosynthèse pour une pose en 3 semaines galvanique X Attaques acides 0 X Stabilité couche X sous X Biocompatibilité X Pas de tissus X Ostéosynthèse pour une pose en 3 semaines X Total K i ω i Exigences Coût-Mise en oeuvre : poids attribué = 50/1000 Précision Compatibilité d ajustement température K i ω i Précision d ajustement X Compatibilité température 0.5 X Total

6 ABUTMENT Exigences mécaniques (abutment) : poids attribué = 500/1000 Rm Re E fatigue Knoop K 1C K i ω i Rm X Re 1 X E 1 0 X fatigue X Knoop X K 1C X Total Exigences Chimiques-Biologiques : poids attribué = 450/1000 galvanique Attaques acides Stabilité couche sous Biocompatibilité Pas de tissu galvanique X Attaques acides 0 X Stabilité couche X sous X Biocompatibilité X Pas de tissus X 0 0 Total K i ω i Exigences Coût-Mise en oeuvre : poids attribué = 50/1000 Précision Compatibilité d ajustement température K i ω i Précision d ajustement X Compatibilité température 0.5 X Total

7 COURONNE Exigences mécaniques : poids attribué = 350/1000 Rm Re E fatigue Knoop K 1C K i ω i Rm X Re 0 X E 0 1 X fatigue X Knoop X K 1C X 4 93 Total Exigences Chimiques-Biologiques : poids attribué = 350/1000 galvanique Attaques acides Stabilité couche sous Biocompatibilité Pas de tissu galvanique X Attaques acides 1 X Stabilité couche 0 0 X sous X Biocompatibilité X Pas de tissus X 0 0 Total K i ω i Exigences Etat de surface-esthétiques : poids attribué = 250/1000 Lisse au Tenue Teintes toucher couleur K i ω i Lisse au toucher X Teintes 0.5 X Tenue couleur 1 0 X 1 83 Total Exigences Coût-Mise en oeuvre : poids attribué = 50/1000 Précision Compatibilité d ajustement température K i ω i Précision d ajustement X Compatibilité température 0.5 X Total

8 Structure du cahier des charges A partir des poids calculés, nous pouvons dès lors établir la structure du cahier des charges qui permet de donner un tableau résumant tout le travail effectué dans la recherche des exigences et l attribution de leur poids : Exigences Type 2 Poids Objectif IMPLANT Propriétés mécaniques Rm T Mpa Re T Mpa E T Gpa Fatigue T Mcycles à 200 MPa Dureté Knoop T kg/mm 2 K 1C T 120 > 10 Mpa/m 1/2 Propriétés Chimiques-Biologiques galvanique T 75 Selon ISO TC 106 / SC 2 Attaques acides T 37.5 Selon ISO TC 106 / SC 2 Stabilité couche T 25 Selon ISO TC 106 / SC 2 sous T 12.5 Selon ISO TC 106 / SC 2 Biocompatibilité A 150 Pas de tissu A 125 Ostéosynthèse pour une pose en 3 semaines A 100 Exigences Coût-Mise en oeuvre Précision d ajustement T 25 Compatibilité température A 25 Total 1000 ISO (VSM 1997) degré f : tolérance +/ [mm] ABUTMENT Propriétés mécaniques Rm T Mpa Re T Mpa E T Gpa fatigue T Mcycles à 200 MPa Dureté Knoop T kg/mm 2 K 1C T 120 > 10 Mpa/m 1/2 Propriétés Chimiques-Biologiques galvanique T 67.5 Selon ISO TC 106 / SC 2 Attaques acides T Selon ISO TC 106 / SC 2 Stabilité couche T 22.5 Selon ISO TC 106 / SC 2 2 T = critère avec tolérance A = critère absolu S = critère souhaitable

9 sous T Selon ISO TC 106 / SC 2 Biocompatibilité A Pas de tissu A 0 Exigences Coût-Mise en oeuvre Précision d ajustement T 25 Compatibilité température A 25 ISO (VSM 1997) degré f : tolérance +/ [mm] Total 1000 COURONNE Propriétés mécaniques Rm T Mpa Re T Mpa E T Gpa fatigue T Mcycles à 200 MPa Dureté Knoop T kg/mm 2 K 1C T 93 > 10 Mpa/m 1/2 Propriétés Chimiques-Biologiques galvanique T 70 Selon ISO TC 106 / SC 2 Attaques acides T 93 Selon ISO TC 106 / SC 2 Stabilité couche T 47 Selon ISO TC 106 / SC 2 sous T 23 Selon ISO TC 106 / SC 2 Biocompatibilité A 117 Pas de tissu A 0 Propriétés Etat de surface-esthétiques Lisse au toucher S 42 Teintes T 125 Vitapan 3D Master Tenue couleur S 83 Exigences Coût-Mise en oeuvre Précision d ajustement T 25 Compatibilité température A 25 ISO (VSM 1997) degré f : tolérance +/ [mm] Total 1000

10 Constatations Avec ce tableau, on peut voir que les exigences imposées par notre système sont nombreuses. Le choix des matériaux devra, dans la mesure du possible, tenir compte de chacune d entre elles. Concernant le travail effectué dans cette partie, il nous a permis de clarifier la portée de ces exigences à travers le calcul de leur poids ce qui nous permet d avoir un outil comparatif de ces critères. Il apparaît tout d abord que les critères les plus importants (avec les poids les plus grand) sont des exigences d ordre mécanique, chimique ou biologique ce qui confirme bien les constatations issues des tableaux relatifs aux causes/faiblesses du chapitre analyse de situation. En effet, si l on prend la biocompatibilité qui est l une des exigences avec le poids le plus grand pour les trois parties de la prothèse. Elle représente à chaque fois un peu plus d un dixième du poids total. D autre part, on remarque que les exigences mécaniques de chacune des pièces de la prothèse n ont pas le même ordre d importance : pour l implant et l abutment, c est la résistance à la fatigue et K1C qui priment dans un sens de longévité tandis que pour la couronne, c est la dureté qui est la plus importante car on veut éviter d endommager les dents antagonistes. En ce qui concerne l état de surface nécessaire à une ostéosynthèse rapide (3 semaines), son poids nous indique qu il a également une importance non négligeable. En effet, au-delà du confort du patient qui ne veut pas attendre des mois avant la pose de la couronne, l état de surface a également un rôle mécanique. Si ce dernier est adéquat, la prothèse aura un meilleur ancrage dans la mandibule ce qui permettra à la prothèse d être plus performante mécaniquement et d avoir une durée de vie plus longue. Nous avons maintenant tous les outils pour procéder au choix des matériaux de chacune des pièces de notre prothèse dentaire : implant, abutment et couronne.