Proposition de thèse Étude biomécanique de la dent restaurée pour le développement de restaurations dentaires innovantes

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1 Proposition de thèse Étude biomécanique de la dent restaurée pour le développement de restaurations dentaires innovantes Mots clés : biomécanique, restauration dentaire, prothèse, innovation, procédés additifs Encadrement Elsa VENNAT (MCF MSSMat) : elsa.vennat@centralesupelec.fr Nicolas SCHMITT (Professeur LMT Cachan) : schmitt@lmt.ens- cachan.fr Lieux de travail Laboratoire MSSMat (Centrale- Supélec), Grande Voie des Vignes, Chatenay- Malabry LMT Cachan (ENS Cachan), 41 Av. du Président Wilson, Cachan Contexte Pour restaurer une dent cariée, le praticien dentaire utilise des restaurations de type composite ou prothèse dentaire pour remplacer les amalgames, du fait leur esthétisme, leur biocompatibilité et surtout leur adéquation avec le concept de dentisterie «à minima» ou préservation maximale des tissus sains (contrairement aux amalgames dont la toxicité potentielle a conduit certains pays de l Union Européenne à en interdire l usage). Alors que la restauration de l émail à l aide de biomatériaux est aujourd hui bien maitrisée, les restaurations touchant la dentine ne sont pas suffisamment durables (5-10 ans pour un composite contre environ 15 ans pour un amalgame [1]). Il est donc indispensable de comprendre les causes de ce manque de durabilité et de trouver des solutions pour éviter la rupture précoce des différents types de restauration lorsque la dent restaurée est sollicitée mécaniquement. La dent restaurée est composée de multiples couches dont le rôle dans la tenue mécanique finale est encore mal connu. L objectif de ce projet est donc d utiliser la connaissance acquise de la morphologie de la dentine et du comportement mécanique des différentes couches pour acquérir une connaissance approfondie du comportement de l ensemble de la dent restaurée formant une structure de géométrie complexe et sollicitée par un chargement variable et complexe. Il conduira à émettre des recommandations aux praticiens dentaires (géométrie de la préparation et de la restauration, choix des matériaux, ) et aura donc un impact sur la qualité des soins en cabinet. La définition d un cahier des charges pour le biomatériau architecturé optimal (adapté à la lésion considérée) permettra d envisager des nouvelles voies d obtention des restaurations dentaires par exemple par procédé additif de type impression 3D dont les potentialités sont encore loin d être exploitées pleinement. Ce projet se place aux frontières des connaissances en odontologie, en ingénierie (en particulier en mécanique) et en biomatériaux.

2 Objectifs Le processus de restauration de la dent aboutit à la création d un matériau multi- couches constitué de la dent saine sous- jacente (en particulier la dentine), d une couche dite «hybride» et du matériau de restauration (composite ou prothèse). Dans cette thèse, nous nous intéresserons à la morphologie tridimensionnelle et au comportement mécanique de: chacune des couches (à l exception de l émail et des matériaux de restaurations seuls qui présentent moins d intérêt et sont assez bien connus) : la dentine saine sous- jacente et la couche hybride; l empilement de couches qui constituent la dent restaurée. En effet, pour pallier le manque de durabilité des restaurations dentinaires, il est crucial de comprendre le comportement mécanique multi- échelle de la dentine restaurée (en particulier la couche hybride) et les conséquences de la nouvelle macro-, micro- et nano- structure sur celui- ci afin de proposer des protocoles de restauration optimisés du point de vue de la tenue mécanique et/ou des nouvelles techniques/matériaux de restauration. Les objectifs de cette étude sont doubles : comprendre le comportement mécanique de la dent restaurée aux différentes échelles mettre en place un cahier des charges pour la restauration optimale et investiguer les nouvelles voies de fabrication Volet 1 : Étude mécanique de la dent restaurée : développement d un outil de simulation L ensemble des données expérimentales obtenu lors de travaux précédents au laboratoire MSSMat a permis de mieux connaître la microstructure dentinaire saine et restaurée et leurs caractéristiques mécaniques [2-5] et servira à définir les données d entrée d un modèle numérique paramétré de la dent restaurée qui prendra en compte les propriétés mécaniques et morphologiques des différents éléments de la dent, support biologique de la restauration. L intérêt pratique de prendre en compte et simuler de manière fine la structure hétérogène de la dent est de pouvoir ensuite proposer des restaurations adaptées à la localisation de la lésion. La modélisation d une géométrie réaliste de dent est indispensable pour pouvoir pour simuler de manière pertinente la restauration d une dent cariée. Pour acquérir des géométries de dents réalistes, le micro- tomographe CT du LMT Cachan acquis dans le cadre de l Equipex MATMECA sera utilisé. La partie métrologie d un assemblage modèle a déjà été abordée [6]. Il s agit ici de passer à une géométrie plus réaliste et à aborder le comportement mécanique d un assemblage réel. L utilisation de la micro- tomographie aura comme double objectif : (1) de fournir la géométrie des différents éléments de la dent nécessaire pour construire un maillage éléments finis tridimensionnel des différents éléments de la dent. Il est envisagé de constituer une banque d images volumiques obtenues par micro- tomographie sur différents types de dents et (2) de valider le modèle numérique grâce à des essais mécaniques réalisés in- situ dans le micro- tomographe. Le modèle éléments finis (EF) permettra de simuler l état des contraintes et des déformations vues par la dent saine et restaurée sollicitée par des actions mécaniques représentatives de celles exercées en bouche sur la dent (variable selon la dent considérée) et de prédire son endommagement, la fissuration, voir sa ruine (une réflexion sur les critères à

3 utiliser sera menée). Le modèle numérique sera paramétré de sorte qu il soit possible de prendre en compte les propriétés locales et de faire varier la géométrie des restaurations. L outil numérique sera validé à l aide d essais mécaniques in situ dans le micro- tomographe par comparaison des champs de déplacements et de déformations numériques avec les champs expérimentaux obtenus par corrélation des images volumiques [7] des dents déformées par un chargement mécanique qui reproduira les efforts en bouche. Outre la validation du modèle numérique, ces essais serviront également à mieux définir les critères à utiliser pour comparer les différentes solutions. Par rapport à une approche classique purement expérimentale nécessitant un nombre d expérimentations fort consommateur en tissus biologiques dentaires et en temps et qui reste finalement assez empirique, l outil numérique permettra un gain de temps, la prise en compte spécifique de la lésion à traiter et la possibilité d investiguer d autres conditions environnementales plus délicates ou plus longues à reproduire expérimentalement en laboratoire (sollicitations thermo- mécaniques par ex.). Volet 2 : Cahier des charges pour la restauration optimale et pistes d obtention A l aide de l outil numérique mis en place dans le Volet 1 (i.e., un modèle paramétré), différentes géométries et caractéristiques mécaniques possibles pour les restaurations seront investiguées. Des géométries et propriétés en meilleure adéquation avec une tenue mécanique maximale seront proposées. La piste de l utilisation de matériaux à gradients de propriétés et éventuellement biomimétiques sera explorée. Une fois des géométries et propriétés optimales dégagées, il s agira de proposer des moyens de fabrication adaptés, notamment les procédés additifs. Les procédés additifs permettraient de créer des structures de restauration sur mesure et à gradient de propriétés, ce qui serait une technique très innovante en dentisterie. Outre les possibilités en termes de réalisation de géométrie et de propriétés, les procédés additifs permettraient de réduire les pertes de matières liées au procédé classique d usinage de la prothèse (plus de 70% d un bloc de matériau dentaire est perdu après usinage). Les prothèses imaginées seront réalisées et testées. Les essais mécaniques mis en place dans le volet précédent seront utilisés dans un premier temps, sur une géométrie simplifiée de dent restaurée (en s inspirant très largement des tests classiques réalisés en odontologie pour les composites dentaires) pour évaluer le comportement mécanique de la prothèse. La structure à gradient de propriétés proposée (obtenu par procédé additif) sera ensuite comparée aux matériaux de prothèses classiques usinés et l impact de la morphologie proposée sera évalué. Bibliographie [1] J. De Munck et al. A critical review of the durability of adhesion to tooth tissue: methods and results. Journal of Dental Research, 84(2): , [2] W. Wang et al. A new method combining finite element analysis and digital image correlation to assess macroscopic mechanical properties of dentin. Materials, 8(2): , [3] E. Vennat et al. Demineralized dentin 3D porosity and pore size distribution using mercury porosimetry. Dental Materials, 25(6): , [4] E. Vennat et al. A natural biomimetic porous medium mimicking hypomineralized enamel. Dental Materials, 31(3) : , [5] E. Vennat et al. 3D imaging of the dentinal porous network using confocal microscopy. En cours

4 d écriture. [6] L. Tapie et al. Adaptation measurement of CAD/CAM dental crown with X-ray micro-ct scanning: metrological chain standardization. En cours d écriture. [7] F., Hild et S. Roux, Imagerie 3D en mécanique des materiaux. Section Corrélation d'images volumiques. Publisher traite MIM (Hermes). Editor Buffiere, J.-Y., Maire, E Profil candidat Les compétences demandées pour cette thèse sont : Un solide bagage en mécanique expérimentale et numérique Une expérience en imagerie 3D (idéalement en microtomographie X) Une ouverture d esprit indispensable à la réalisation de ce projet transdisciplinaire Une volonté de confronter expérience et simulation Les compétences suivantes seraient vues comme un plus: Une expérience dans le domaine de la Biomécanique Une expérience en imagerie 3D Des compétences en procédés de fabrication (idéalement procédés additifs)

5 Biomechanics of the restored tooth: towards the development of innovative restoration techniques Keywords : biomechanics, dental restoration, prosthesis, innovation, additive manufacturing In order to overcome the lack of durability of dentinal restorations, it is crucial to understand the multi- scale mechanical behavior of the restored dentin (especially the hybrid layer) and its link with the new macro-, micro- and nano- structure by the restoration to provide optimized restoration protocols from the viewpoint of the mechanical strength and / or new techniques / restorative materials. The tooth restoration process results in the creation of a multi- layer composite consisting of the healthy tooth (in particular dentin, see figure below for details on the dentinal microstructure), the hybrid layer and the restorative material (composite or prosthesis). In this project, we will focus on the three- dimensional morphology and mechanical behavior of the stack of layers that is constituting the restored tooth. The objectives of this study are twofold: understanding the mechanical behavior of the restored tooth at different scales, establishing specifications for the optimal restoration and investigate new production ways. Based 3D imaging taken with a X- Ray micro Computed Tomographe (CT), several refined 3D meshes, which are representative of different types of restaured teeth, will be built. These meshes will be used in the finite element model to carried out multiscale simulations. The mechanical behavior of restaured tooth subjected to representative loadings will be simulated. The complete numerical model validated thanks specific in- situ tests developed in the X- Ray CT. The study of the restored tooth will allow us to identify adapted geometries and properties to optimize the restoration in terms of mechanical strength. This study will therefore, in accordance with researchers in dental materials, enable targeting new restoration techniquesthat will later be developed "in vitro" with practitioners for the future transition to "in vivo". Candidate profile Requirements to apply to this offer : A solid background in solid mechanics (ideally Biomechanics) and in 3D imaging (and ideally in 3D printing) An open mind to be able to carry out a multidisciplinary research project with a will to compare simulations to experiments