MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE FERHAT ABBAS-SETIF UFAS (ALGERIE) MEMOIRE Présenté à la Faculté des Sciences de l'ingénieur Département d'optique et de Mécanique de précision Pour l'obtention du Diplôme de MAGISTER Option: Mécanique Appliquée Par M elle : LAISSANI NASSIRA THEME Influence du renforcement sur les propriétés mécaniques des matériaux dentaires Soutenue le :... /.../ 2010 devant la commission d'examen: Pr: BOUZID SAID Prof à l'université de Sétif Président Dr: SMATA LAKHDAR M. C à l'université de Sétif Rapporteur Dr: OUAKDI EL HADJ M. C à l'université de Sétif Examinateur Dr: DJEDDOU FARHAT M. C à l'université de Sétif Examinateur
Remerciements J exprime ma profonde gratitude et mes respects à mon encadreur Mr : SMATA LAKHDAR pour son suivi judicieux. Mes sincères remerciements messieurs les membres de jury de nous avoir honoré de leur présence. Je tiens aussi à remercier les membres du laboratoire de Physique et Mécanique des matériaux métallique et à leur tête son directeur le Dr OUAKDI EL-HADJ pour leurs encouragements. Et sans oublier de remercier mes amis et mes camarades qui m ont beaucoup soutenu, conseillé et aidé..nassira
Résumé Le but de ce sujet est d améliorer les propriétés mécaniques des matériaux dentaires (la résine dentaires) par l ajout des poudres céramiques (Al 2 O 3 ). Une fois renforcés, le biomatériau est soumis à différents tests mécanique telles que l usure, la fatigue, la flexion et la dureté. Aussi pour simuler l influence du milieu buccal, ces matériaux sont stockés dans différents bains tels que : l eau distillée, l acide citrique et l heptane pour des durées biens déterminées. Après le stockage, on procède à nouveau aux mesures des propriétés mécaniques pour évaluer les performances de ces biomatériaux. Mots- clés: Matériaux dentaires, usure, fatigue, flexion, dureté, renforcement, Stockage.
Sommaire Introduction générale 1 Chapitre I: Les matériaux dentaires 1.1 Introduction...... 1.2 Définitions....... 1.3 Différents types de matériaux dentaires de restauration... 1.3.1 Les résines acryliques... 1.3.2 Les résines composites... 1.4 Les céramiques dentaires... 1.5 L'amalgame... 1.6 Les alliages métalliques... 1.7 Les céments... 3 3 4 5 10 17 25 27 28 Chapitre II: Les propriétés mécaniques des matériaux dentaires 2.1 Introduction.. 2.2 La fatigue des matériaux dentaires... 2.2.1 La courbe de Wöhler... 2.2.2 Les contraintes résiduelles... 2.2.3 L'aspect statistique de la rupture par fatigue... 2.2.4 La fatigue cyclique des composites et céramique des bridges dentaires dans l eau... 2.2.4 Le comportement fatigue en flexion des résines composites... 2.2.5 La propagation des fissures par fatigue en flexion à quatre points dans un composite de restauration... 2.2.6 Test de fatigue en rotation... 2.2.7 La fracture dans les biomatériaux... 2.2.8 La rupture des matériaux de restauration... 2.3 L'usure des matériaux dentaires... 2.3.1 Introduction... 2.3.2 Les types d'usure... 30 30 32 33 34 35 36 37 39 40 42 44 44 44
2.3.3 Comparaison entre la résistance à l'usure des dents en céramique, en résine et la celle de l'émail de la dent humaine... 2.3.4 L'usure dans les matériaux dentaires... 2.3.5 Les paramètres de fonctionnement du milieu buccal... 2.4 La dureté des matériaux dentaires... 2.4.1 Définition... 2.4.2 Mesure de dureté Vickers... 52 54 55 56 56 58 Chapitre III: Matériaux et procédures expérimentales 3.1 Introduction... 3.2 But du travail... 3.3 Matériaux utilisés... 3.4 L'essai d'usure.... 3.4.1 Préparation des échantillons.... 3.4.2 Le dispositif d'usure... 3.5 L'essai de fatigue... 3.5.1 Les éprouvettes de la fatigue...... 3.5.2 Le dispositif de fatigue.... 3.5.3 Le test de fatigue...... 3.6 L'essai de flexion...... 3.7 L'essai d'indentation...... 3.8 Les résultats...... 3.8.1 Les résultats de l'usure...... 59 59 59 60 60 61 63 63 64 65 65 67 68 68 80 83 86 92 101 102
3.8.2 Les résultats de la fatigue... 3.8.3 La mesure la dureté Vickers...... 3.8.4 La mesure de la flexion... 3.9 Discussion... Conclusion... Bibliographie...
Introduction Les évolutions futures devraient améliorer les propriétés des matériaux pour le besoin de l être humain. La science des biomatériaux dentaire semble de plus en plus indispensable à notre exercice quotidien. Les biomatériaux sont des éléments importants dans les prothèses fixes et les traitements des dents naturelles. Ils ont pour fonction une stabilité des propriétés physiques et mécaniques pour un long moment de travail dans un environnement oral complexe. Malgré une certaine réticence sociale, il n est pas rare aujourd hui que nous utilisions nos dents, les incisives en particulier, pour couper ou maintenir un objet. Les sociétés du passé faisaient une utilisation des dents bien plus intensive que la nôtre et l ethnologie a parfois décrit la denture comme une véritable troisième main. Chacun sait aujourd'hui, que la dent et un organe vivant, dans un milieu buccal variable suivant l alimentation utilisée. Les dents peuvent être affectées par différents facteurs tels que : cassure, carie, chute, coloration, malformations etc. Grâce au développement de la recherche scientifique et l élaboration des nouveaux matériaux, tout peut être rénové par la restauration, ou le remplacement des dents naturelles par des dents artificielles. Il y'a plusieurs types des dents des prothèses qui sont conçus à partir des matériaux dentaires afin de trouver un meilleur remède à la dent naturelle. Actuellement il existe quatre types principaux de matériaux dentaires : résine, céramique, composite et amalgame. La biocompatibilité de ces matériaux aux corps humains est basé sur des caractérisations mécaniques tels que : l'usure, la flexion, la dureté, l'endommagement par fatigue, le collage, la caractérisation chimique de stockage et la dégradation sous les divers milieux. Le but de notre travail est d étudier l'effet du renforcement sur les propriétés mécaniques (usure, fatigue, dureté) des résines dentaires. Aussi cette étude traite l effet du stockage dans des bains simulants l environnement du milieu buccal sur le biomatériau renforcé. Ce travail comporte ainsi trois chapitres: -des généralités sur les matériaux dentaires et les différents types de matériaux utilisés en dentisterie sont présentées dans le premier chapitre. -le deuxième chapitre se rapporte à quelques rappels bibliographiques sur les propriétés mécaniques des biomatériaux. 1
-le dernier chapitre concerne la partie expérimentale avec les méthodes opératoires employées, les résultats des essais et la discussion de l'expérimental. La conclusion rapporte un résumé des résultats obtenus. 2
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES 1.1 Introduction: Les propriétés biophysiques des matériaux dentaires ont permis leur utilisation dans de nouvelles applications cliniques. Avec le développement croissant de nouveaux produits, il est important pour le clinicien de comprendre les facteurs qui vont conduire au succès de la réalisation prothétique. Afin d évaluer un nouveau procédé, il faut garder à l esprit une série de questions concernant : les qualités mécaniques, l esthétique, l abrasion, les études cliniques et le coût. La recherche continue d élaborer des matériaux de restauration plus résistants, plus esthétiques et permettant de multiples applications cliniques telles que couronnes, bridges, dents.. 1.2 Définitions: La dent humaine se compose de plusieurs éléments dont [1]: Email : le plus minéralisé et le plus dur de tout le corps humain. Il recouvre la partie de la dent exposée à l environnement buccal, et la protège contre les contraintes mécaniques et les agressions chimiques. Pulpe : c est un tissu mou fortement vascularisé et innervé, au centre de la dent, à partir duquel se fait la dentinogénèse. C est le plus sensible des tissus dentaires ; il peut se nécroser. Dentine : elle constitue avec la pulpe la plus grande partie de la dent ; elle est recouverte dans sa partie coronaire par l émail. En contact avec la pulpe, elle est formée notamment d odontoblastes, cellules spécialisées se prolongeant depuis la pulpe dans les tubules dentinaires. Peu minéralisée, sa partie organique est formée surtout de collagène. 3
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES Cément : c est un tissu minéralisé recouvrant la racine. Tissu conjonctif spécialisé, le moins dur des trois tissus dentaires durs. S il est mis à nu au niveau des collets, il s usera rapidement. Pulp Email Figure 1.1 : Schéma d une molaire humaine. 1.3 Différents types de matériaux dentaires de restauration: Les matériaux pour restaurations dentaires doivent présenter des caractéristiques micro structurelles et physico-chimiques leur permettant de résister aux contraintes masticatoires répétitives dont l'effet endommageant dans le temps peut amener le matériau à subir un échec mécanique prématuré [2]. Un matériau de restauration dentaire doit remplir un ensemble de conditions pour être admissible dans la pratique dentaire quotidienne. Anusavice (1999) [3] a énoncé ces propriétés de la façon suivante: le matériau idéal d obturation directe devrait être biocompatible; de la couleur de la dent; tolérant pour ce qui est des propriétés liées à sa manipulation ; insensible à l humidité et au desséchement ; s e solidifier sans équipements spéciaux ; capable de créer des liens stables avec l émail et la dentine ; susceptible de sceller des cavités marginales en diguant l invasion bactérienne; capable de libérer du fluorure ou 4
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES des agents antibactériens, de reminéralisation lorsque la déminéralisation est très probable et résistant aux atteintes chimiques [3]. Les biomatériaux ne sont pas des substances continues, homogènes et isotropes, c'est-à-dire possédant des propriétés physiques identiques dans toutes les directions. Ils renferment des particularités de structure, des défauts locaux, hétérogénéités physiques et chimique [4]. La plupart des matériaux utilisés en dentisterie restauratrice sont des pâtes ou de liquides qui se solidifient au moment de l'application d'un procédé technique. Deux grandes familles de ces matériaux sont donc retrouvées aujourd hui : d une part de nature organique, dérivés de matériaux polymériques (les résines acryliques et les résines composites), d autre part de nature minérale, les dents en céramique (la porcelaine). Aussi d'autres types de matériaux existent mais actuellement, ils sont moins employés tels les amalgames, les alliages métalliques et les céments. 1.3.1 Les résines acryliques: Les résines acryliques se présentent sous forme de poudre (polymère) et de liquide (monomère). Les résines peuvent être classées selon que la polymérisation du méthacrylate de méthyle est induite par la chaleur ou par un agent chimique, les changements de concentration, ou par émission de radiation. Ce sont des composants non métalliques produits synthétiquement à partir des composants organiques qui peuvent être moulés sous diverses formes. Les résines existantes sont des acryliques thermopolyrésables (durcissantes par la chaleur) ou chémopolymérisables (durcissantes à froid), (figure 1.2) [5]. Figure 1.2: Produit en résines acryliques 1.3.1.1 Les résines thermopolymérisables: Les résines thermopolymérisables sont utilisées en clinique et aux laboratoires pour une réalisation ou une réparation immédiate. La préparation s effectue par le mélange d une 5
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES poudre et d'un liquide suivi d un chauffage. Le produit est alors fourni sous la forme d un gel [5]. La poudre: la poudre consiste en particules sphériques de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) broyées en poudre fine de 20 à 100 nm, accompagné d'un peroxyde de benzoyle de 0.5 à 2 % en poids ; il est ajouté comme catalyseur [5]. Le liquide: le liquide est composé d'un monomère (acide acrylique ou acide méthacrylique), additionné d un anti-oxydant (hydroquinone) qui joue le rôle d'inhibiteur et d'un agent de réticulation (figures 1.3) [5]. -a- -b- Figure 1.3: -a. Acide acrylique -b. Acide méthacrylique [6]. La formation de la pâte s effectue par le mélange du liquide et de la poudre en suivant le rapport 1/3 par volume, on reconnaît alors trois stades distincts de formation de la pâte : - Le stade de sédimentation: la poudre ajoutée au liquide y sédimente et donne un aspect sableux. - Le stade de dissolution: le liquide se diffuse entre les particules de la poudre et donne un aspect mousseux. - Le stade de saturation: la poudre a saturé le liquide et donne un aspect pâteux où la viscosité du mélange augmente lentement facilitant une dissolution progressive des fractions de la poudre. Le temps de la formation de la pâte est influée par certains facteurs, tels que: la température, la grosseur des grains de la poudre, le degré de polymérisation, la présence d'un plastifiant dans la poudre et le rapport poudre / liquide [5]. 1.3.1.2 Résine chémopolymérisables ou autopolymérisables: Les résines chémopolymérisables se polymérisent sans l intervention d un agent extérieur telle que la chaleur. La polymérisation se fait par l'utilisation d'un activeur chimique [4]. Les avantages de ce procédé sont: réaction plus rapide, fabrication plus d un moule et démoulage plus facile. 6
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES La poudre: elle est identique à celle utilisée dans les résines thermopolymérisables. Parfois le tributylborane (environ 5%) remplace le peroxyde de benzoyle [4]. Le liquide: analogue à celui utilisé dans les résines thermopolymérisables, mais il contient en plus un activateur (le diméthylparatoluidine) qui joue le rôle de la chaleur [4]. Le phénomène de la prise et de la polymérisation: le mélange du liquide et de la poudre donne une masse pâteuse qui se durcit au cours du temps, c est le phénomène de la prise sous l influence de l activateur. La pâte se durcie sans l intervention d un agent extérieur telle que l élévation de la température (durcissement à froid) [5]. 1.3.1.3 Les propriétés des résines acryliques: a- Les propriétés physiques: La structure: la structure est essentiellement constituée de longues chaînes, mais aussi d'un réseau tridimensionnel assez faibles, car certains maillions permettent des liaisons entre les chaînes. L obtention de polymères réticulés (cross linked) organisés en réseau tridimensionnel nécessite l addition au monomère un agent de réticulation, la plupart du temps un diméthacrylate (comme le diméthacrylate éthylène glycol ou 1,4 butylène glycol diméthacrylate). Cette organisation spatiale tridimensionnelle particulière a permis d améliorer fortement la résistance mécanique des résines acryliques [7]. L'absorption d'eau: l'absorption d'eau entraîne de faibles variations volumiques diminuant ainsi la résistance mécanique par la formation de plastifiants [8]. La solubilité: elle est déterminée par la diminution du poids par unité de surface de la résine immergée dans l'eau pendant 24 heures. Elle peut être diminuée par l'addition au mélange d'un agent de liaison tel que le diméthacrylate de glycol [7]. La dilatation thermique (résine thermopolymérisable): celle-ci est provoquée lors de la variation de la chaleur entre la température ambiante et la température du stade d'initiation de la polymérisation. Cette dilatation est limitée par les parois du moule d'où la naissance de contraintes internes du matériau et une possibilité de fissurations ultérieures et amoindrissement de la résistance mécanique [7]. La contraction de polymérisation : cette contraction est due au méthacrylate de méthyle qui subit une dimension en volume de 21% en se polymérisant. La pâte qui contient 7
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES généralement 25% en volume de monomère devrait avoir théoriquement une contraction globale en volume de 15% [5]. b- Les propriétés mécaniques: La dureté: la dureté Knoop de la résine thermopolymérisable est de 20, et de la résine chémopolymérisable est de 16. Elle est nettement inférieure à celle de la denture, de l ordre de 65 et de l'email 300 [5]. La résistance mécanique: les propriétés mécaniques d'un polymère sont influencées par le degré de conversion. La résistance mécanique est d autant plus faible que le degré de polymérisation. La résistance mécanique est encore affaiblie par le raccourcissement de la durée du cycle de durcissement et par la diminution de l épaisseur de l échantillon ainsi que par la présence des bulles et l absorption d eau. Toutes ces résistances seront augmentées par l'addition au mélange d'un agent de liaison, tels que le diméthacrylate de glycol [9]. c- Les propriétés optiques [4] : L'indice de réfraction: il est de 1,49 soit du même ordre de grandeur que ceux de la dentine 1,50 et de l'émail 1,60. La transparence: elle est excellente, un échantillon de 3 mm d'épaisseur transmet 90 % de la lumière visible. La coloration: les possibilités de coloration sont très variées pour les résines thermopolymérisables, mais la stabilité de la coloration pour les résines chémopolymérisables est moins bonne par suite de l'oxydation de l'activeur. La prévention de cette oxydation peut se faire par un agent stabilisant. d- Les propriétés chimiques: le polyméthacrylate de méthyle présente une grande inertie chimique, ces résines sont pratiquement inattaquables par les fluides buccaux et présentent une très bonne stabilité en bouche. Mais les monomères résiduels, du fait de la polymérisation incomplète de la résine, vont provoquer des irritations au niveau buccal [4]. 8
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES 1.3.1.4 Les exigences d'une résine dentaire: - Le matériau doit présenter une translucidité de façons à reproduire esthétiquement les dents qu il doit remplacer. Dans ce but, il doit être teinté (figure 1.4). - Conductibilité thermique élevée. - La résine doit être sans goût, inodore, non toxique. - Une résistance à l abrasion adéquate pour supporter toute usure normale. - Imperméable aux fluides buccaux afin de ne pas devenir mal sein de goût ou d odeur. - Pas d'adhésion sur la dent en résine ni de la nourriture ni autre matière introduite dans la bouche. Possibilité de son nettoyage de la même sorte que les dents naturelles. - Elle doit être complètement insoluble dans les fluides buccaux et toute substance susceptible d être ingérée. - La température de ramollissement doit être supérieur à tout élément ou liquide introduit dans la bouche. - En cas de fracture, il faut pouvoir réparer la résine facilement et d une façon efficace. - Il ne doit avoir aucun changement de couleur ou d apparence du matériau après sa Fabrication. Figure 1. 4: Ensemble de dents en résine 1.3.1.5 Avantages et inconvénients des dents artificielles en résine: [10] a- Avantages: Les dents en résines présentent certains avantages dont : liaison chimique avec la base prothétique (figure 1.5), esthétique satisfaisante, absence de risque d abrasion des antagonistes car elles sont de dureté inférieure à l émail, aux alliages dentaires et à la porcelaine, équilibration et polissage faciles au cabinet dentaire par la faible résistance mécanique, dents non sonores, correction par addition de résine chémopolymérisable ou de résine composite de façon transitoire ou définitive. 9
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES b- Inconvénients: Cependant, les dents en résines ont des inconvénients où il y a une faible résistance à l usure, les retouches occlusales sont peu précises, la dent en résine se décolore dans le temps du fait des colorants alimentaires et le tabac (sur la figure 1.5, apparition d'une décoloration), dissolution de la résine (phénomène lent mais non négligeable), efficacité masticatoire est plus faible que pour la dent en porcelaine et se diminue dans le temps. Figure 1.5: Décoloration d une dent en résine. 1.3.2 Les résines composites : Les composites à base de résine ont pris une place très importante en dentisterie restauratrice en raison de leurs qualités esthétiques et adhésifs dans le cadre d un temps de travail programmé. Il faut aussi remarquer que ces matériaux de restauration essentiellement passifs sont très exigeants et nécessitent des connaissances approfondies et une grande compétence pratique de la part du praticien [3]. Figure 1.6: Les résines composites Le composite est un matériau issu de la combinaison d au moins de deux substances. Elles sont indiquées pour remplacer des restaurations brisées ou perdues au niveau des prémolaires et des molaires et pour restaurer des défauts de faible à moyenne dimensions 10
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES ex : carie, fracture, défauts de développement. Les résines composites sont utilisées depuis longtemps pour les dents antérieures (celles situées en avant de la bouche). Elles servent aussi à corriger des défauts causés par une carie, une fracture, une dent en mauvaise position (figures 1.7) [7]. Figure 1.7: Prothèses provisoires en résine composite [2]. 1.3.2.1 Définition: Les composites se sont des biomatériaux d'obturation organo-minéraux d'où leur nom essentiellement réservés à l'obturation des cavités visibles sur les dents antérieures. Les résines composites sont disponibles en simple pâte ou dans des systèmes de deux pâtes. Le système de deux pâtes est chimiquement activé et est fourni en tant que deux pâtes parce que l'initiateur et l'accélérateur doivent être maintenus séparés jusqu'au mélange. Une pâte contient le catalyseur et l'autre l'activeur [5]. 1.3.2.2 Utilisations des résines composites dentaires: * Pour les obturations des cavités: les pâtes sont formées d une matrice de résine et chargées de particules minérales. La polymérisation se fait à la lumière. * Pour les prothèses provisoires : les pâtes ont une composition proche de celle des composites d obturation [1]. 1.3.2.3 Chimie des composites Les résines composites se composent principalement de très petites particules de charges inorganiques inertes très dures dispersées dans une matrice organique douce (polymère), et un agent de couplage, le silane assurant la liaison chimique des charges à la matrice du polymère. 11
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES a- La matrice: Le Bis-GMA est un monomère de diméthacrylate de haut poids moléculaire avec un noyau central rigide et un groupe d'hydroxyle dans sa structure chimique, c est le monomère le plus généralement utilisé dans les matériaux de restauration. Cependant, en raison de la a- b b- Figure 1.8: a- Structure du Bis-GMA. b- Structure du TEGMA [2]. viscosité très élevée du monomère (4 10 6 cp), l'incorporation des charges de renforcement à la matrice est limité et la conversion finale de la polymérisation du Bis-GMA est faible. Par conséquent, un diluant réactif, tel que le diméthacrylate de glycol de triéthylène (TEGDMA) est souvent ajouté pour améliorer la viscosité, la réactivité et la conversion finale de la phase de la matrice. D'autre part, les diluants réactifs sont des monomères relativement à faible poids moléculaire et leurs polymérisations donnent un rétrécissement plus élevé ainsi que de faibles propriétés mécaniques dû à la structure de monomères. Les groupes d'hydroxyle sont capables de former la liaison intermoléculaire d'hydrogène qui limite le glissement des chaînes du monomère et du polymère, augmentant de ce fait la viscosité du système. L'UDMA est un autre monomère qui est aussi employé dans les composites dentaires. C'est un matériau largement répandu comme les monomères primaires ou de base dans la formation des matrices polymères des composites dentaires. Sa viscosité est environ de 10,00 à 15,00 cp [11,12]. 12
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES Figure 1.9: Compositions de la résine composite [2] b- Les charges: De taille et de forme variable selon les produits, ce sont de fines particules minérales (ex: quartz, verre borosilicaté, verres de silicate, silicate d'alumine, céramique) ou des particules métalliques (ex: étain, titane, niobium) [4]. La granularité peut varier de 25 µm à 0,01 µm ce qui permet d'obtenir un état de surface très satisfaisant [13]. Elles réduisent l expansion thermique à la contraction de polymérisation et elles augmentent le module de Young et la dureté du matériau [14]. c- Le liant: Pour obtenir la liaison des charges avec la matrice, la surface des particules est traitée par un agent de couplage appelé silane (ex: vinyltriméthoxylane) [15]. d- Le catalyseur: L activateur est utilisé dans le cas des composites dont la prise est actionnée par la lumière visible [5]. 1.3.2.4 Classification des résines composites: La classification peut être faite suivant la taille des particules par les groupes suivants: a- Les résines composites Macrofilled: Les résines Macrofilled ou résines composites conventionnels sont également appelées la première génération des résines composites. Les particules de remplissage se composent de quartz, de verre de borosilicate, ou de verre d'aluminium de lithium. La dimension des particules est relativement grande, 15 à 35 µm. La taille des remplisseurs ne permet pas un polissage adéquate, résultant des surfaces rugueuses [13]. 13
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES b- Les résines composites Microfilled: Les résines composites Microfilled contiennent des particules micro-fines de remplissage sphériques de silice colloïdales de 0,01 0,12 μm de diamètre. La charge de remplissage est limitée à 20 55% en volume ou à 35 60% en poids. Ils ont été développés en 1974 et lancés sur le marché à la fin des années 70 [13]. c- Les résines composites Hybrides: Les résines composites hybrides (ou mélange) ont une combinaison de particules colloïdales et fines (0,5 3,0 μm) comme remplisseur. Les particules colloïdales remplissent l'espace entre les particules fines et la matrice autour de 60 65% en volume. Actuellement, les hybrides dominent le marché et peuvent être encore classés par catégorie par les dimensions moyenne des particules de remplissage [13]. d- Autre classification: Afin de faire manipuler plus facilement le composite, la diversité de l'uniformité du produit nécessite une nouvelle méthode de classifier les composite basés sur la viscosité ou la fluidité, avec des catégories telles que : flowable (s'approche plus de l'état fluide), moyenne viscosité, et packable (matériau condensé) [16]. Les composites packables, parfois également appelés les composites condensables, ont été présentés au marché avec de grandes espérances comme alternative aux amalgames. Ils sont caractérisés par une haute charge de remplissage et une distribution de remplisseur qui leur donne une uniformité différente comparée aux composés hybrides. Sur la base de la charge élevée de remplissage perçue, ces matériaux présentent des propriétés physiques et mécaniques supérieures sans compter la facilité de manipulation [17]. 14
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES 1.3.2.5 Quelques propriétés des résines composites: Propriétés valeurs Module d'élasticité [GPa] 12-16 Résistance à la compression [MPa] 230-290 Propriétés mécaniques Résistance à la traction [MPa] 35-55 Adhésion sur émail 83 Solubilité dans l'eau après 2 semaines [mg/cm 2 ] 0.01-0.05 Propriétés physiques Absorption d'eau après 2 semaines [mg/cm 2 ] Retrait volumétrique à la polymérisation [%] 0.3-0.7 1-1.6 Cœfficient d'expansion thermique [10-6 / O C] 26-39 Tableau 1.1: Les propriétés physiques et mécaniques des résines composites [3]. 15
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES 1.3.2.6 Les avantages et les inconvénients des résines composites [7] : Malgré les avantages qu'offrent les résines composites, mais avec l'utilisation clinique accrue les inconvénients des résines composites sont apparues. a- Les avantages: - Les restaurations finales s'adhèrent à la dent. - Grande résistance par rapport aux résines non chargées. - Les résines composites s'apparentent très bien à la couleur des dents puisqu'elles sont offertes en plusieurs teintes. Les restaurations finales sont donc très esthétiques (figure 1.10) par rapport aux autres types de restauration. Figure 1.10: Représentation d une série de dents restaurées avec un cément, par une résine composite et par un matériau métallique (amalgame). b- Les inconvénients: - Les restaurations en résines composites nécessitent plusieurs étapes qu'une restauration en amalgame. Elles peuvent donc être un peu plus difficiles à faire. - Elles coûtent plus cher que les restaurations en amalgame. - Ils existent plusieurs facteurs favorisant la contraction de polymérisation. - Elles exigent des sources lumineuses de cuisson parfois spéciales. - La durée de vie est courte par rapport aux amalgames. 16
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES 1.4 Les céramiques dentaires: Au cours des 10 dernières années, l application des procédés de haute technologie a conduit au développement de nouveaux matériaux céramiques pressés, injectés et «slip casting». Les céramiques classiques, peut être considéré comme céramique tout matériau inorganique, fragile, composés d oxydes, de carbures, de nitrures et de borures. Les céramiques présentent des liaisons chimiques fortes de nature ionique ou covalente et mis en forme à haute température à partir d une poudre dont la consolidation se fait par frittage, cristallisation ou prise par un liant hydraulique. Le frittage est un traitement thermique avec ou sans application de pression externe. En dentisterie, les céramiques sont essentiellement employées dans des applications prothétiques mais peuvent également être utilisées en implantologie, en orthodontie, en matériau de restauration esthétique comme dans le cas d inlays, onlays ou facettes. La plus grande partie des nouveaux systèmes très sophistiqués apparus ces dernières années sont des améliorations technologiques d un produit apparu il y a plus d un siècle [18]. 1.4.1 Définitions: Céramiques dentaires : ce sont des matériaux composés à 99 % d oxyde mis en forme par frittage en phase liquide ou solide. Pour la plupart, ils ont une structure biphasée de verre chargé (une phase vitreuse et une phase cristalline) [18]. C'est un matériau très désirable chez les dentistes et les patients parce qu'il assure d'excellentes propriétés telles que: l'esthétique, une basse conductivité thermique, une haute résistance à l'usure, une longue longévité et une très bonne durabilité chimique [19]. Figure 1.11: Produit dentaire en céramique [2]. La céramique dentaire est utilisée en clinique seule ou associée à un élément (où la porcelaine est cuite sur une base ou armature métallique afin de produire une restauration 17
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES céramométalliques (figure 1.12) à la fois esthétique et résistante à la mastication). Elle est aussi utilisée pour ses qualités incomparables dans la restauration prothétique des dents [4]. Figure 1.12: Une restauration céramométalliques [2]. Porcelaine : la porcelaine est une céramique contenant de l argile sous forme de kaolin (aluminosilicate hydraté) et du feldspath (aluminosilicate). C est un composite de minéraux cristallins (p. ex: le feldspath, la silice, l'alumine) dans une matrice vitreuse. La phase vitreuse contient habituellement de silice SiO 2 et d'alumine Al 2 O 3 le reste, est constitué d'une combinaison de K 2 O, Li 2 O et B 2 O 3. L'apparence de la structure dentaire est obtenus en ajoutant des opacifiants que sont, en fait, des oxydes blancs; ils permettent une diffusion éparse de la lumière et donnent à la porcelaine une apparence laiteuse. Le matériau de base de fabrication des bridges s oriente vers l oxyde de zirconium. La porcelaine été utilisée comme matériau de choix pour les restaurations esthétiques durant la dernière moitié de ce siècle pour ses qualités esthétiques et sa résistance. La porcelaine dentaire est dite à haute, moyenne ou basse fussions, selon son intervalle de fusion. En principe, la céramique haute fusion est réservée à la fabrication des dents artificielles sur le plan industriel. La céramique moyenne fusion sert à la confection des couronnes jacket conventionnelles et la céramique basse fusion à la réalisation des constructions des céramométalliques [5]. La fluorescence c'est la capacité de la dent à réfléchir la lumière. Pour reproduire la fluorescence de l'email (l'email dentaire humaine est fluorescent) sous la lumière ultraviolette, il faut ajouter du CeO 2 [4]. Coloration: les teintes des dents naturelles sont reproduites par l'addition de petites quantités d'oxydes colorant qui donnent à la porcelaine des nuances jaunes, rose et bleues. On utilise à cette fin des oxydes de cobalt, du fer, du chrome et autres. Dans le but de reproduire la fluorescence de l'émail sous la lumière ultraviolette, on ajoute à la porcelaine 18
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES des sels d'uranium et des oxydes de terres rares. Toute fois, la coloration de la céramique peut être obtenue par un jeu de colorant (oxydes métalliques): TiO 2 pour le jaune, Fe 2 O 3 pour le marron, CoO pour le bleu, NiO pour le gris [18]. La figure 1.13 montre l'excellente couleur de la prothèse en céramique. Figure 1.13: Couleur d'une prothèse en céramique [2]. Pont : c est une prothèse fixée destinée à remplacer une ou plusieurs dents manquantes. Les dents de remplacement (intermédiaires) prennent appui sur les dents restantes voisines (piliers). [3] Figure 1.14: Pont en céramique. 1.4.2 Les propriétés mécaniques des céramiques dentaires: Les céramiques dentaires sont peu résistantes en traction et en flexion mais sont très résistantes en compression. La caractéristique mécanique principale est la rupture dite fragile, c est-à-dire sans déformation plastique. Depuis Griffith [20], on sait que la fracture d une céramique se fait par propagation d une fissure à partir d un défaut initial. Les propriétés caractéristiques de la porcelaine sont la dureté, la résistance, l'esthétique, 19
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES l'opacité, la translucidité et l'insolubilité dans l'environnement oral. Ils sont également biocompatible, ont une résistance à la compression élevée, et leur coefficient de dilatation thermique est semblable à celui de la structure de dent. En raison de leur comportement relativement inerte dans les environnements agressifs, leur grande dureté, la haute résistance à l'usure, et leur capacité de résister aux températures sensiblement plus élevées que des métaux ou les polymères. Les matériaux céramiques offrent un potentiel pour des améliorations majeures dans la conception des composants pour une large étendue d'applications [7]. 1.4.3 Les facteurs influençant la résistance mécanique: Malgré leurs grands avantages, la céramique est exposée à la rupture fragile sous la contrainte de tension, les rendant plus susceptibles à la rupture pendant le procédé d'élaboration des différents systèmes dentaires et sous les forces occlusives de la mâchoire [21]. -L'eau: pendant le processus de la mastication, l'application des mouvements de charges répétées et combinées avec le changement thermique rapide par une eau de l'environnement provoque un effet important sur la restauration. L'eau réduit la viscosité et augmente les taux de relaxation structurale et la cristallisation du verre. La présence de l'eau dissoute induit la cristallisation du verre aux températures élevées [18]. La présence de l'eau dans les porcelaines dentaires feldspathiques fait cristalliser beaucoup plus facilement et plus rapidement la céramique que des porcelaines sans teneur en eau [22]. -La taille des grains: les facteurs tels que la distribution des grosseurs des grains et les états de préparation de la pâte influencent les propriétés physiques et mécaniques finales des porcelaines frittées [23]. Les rétrécissements de frittage des poudres compactées peuvent être diminués en employant les poudres qui ont une distribution bimodale ou trimodale. Les particules de poudre ont une distribution de grosseurs particulière pour produire le compactage le plus dense quand elles sont correctement condensées. Si les particules étaient toutes de même taille, la densité de compactage ne serait presque pas aussi bonne. Le compactage dense des particules de poudre fournit deux avantages : abaisser le rétrécissement de cuisson et réduire la porosité dans la porcelaine. Une distribution optimale des dimensions des particules est étudiée pour réduire le rétrécissement d'une 20
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES porcelaine dentaire. Celle-ci rapporte une analyse statistique qui a vérifié que le mélange de plus petites particules (moyennes ou fines) avec des particules grossières (distribution étroite ou bimodal) mènera généralement à une poudre avec un rétrécissement réduit [24]. - La microstructure : la résistance augmente avec la proportion de phase cristalline et la quantité d interfaces verre/cristal et donc la dispersion de cette phase cristalline [18]. - La densité: la densité apparente et la porosité totale peuvent affecter les propriétés mécaniques de la porcelaine dentaire [25]. - La température et cycle de cuisson : l élévation de la température et de la durée de cuisson entraîne une augmentation de la résistance. Cependant, au-delà d un certain seuil ou lors de la multiplication des cuissons, on assiste à une diminution de ces caractéristiques, due à une dissolution dans le verre des phases cristallines dispersent [18]. - Les défauts de surface: la rupture fragile est un processus dans lequel la fracture se produit avec peu ou pas de déformation plastique. Quoique les céramiques dentaires montrent de hautes résistances raisonnables lorsqu'elles sont examinées in vitro. Elles sont susceptibles de défaillance à partir de petites défauts de surface ou des fissures une fois soumis aux efforts de tension in vivo [7]. L'usinage des céramiques dentaires par le système CAD-CAM, en reproduisant les pièces, introduit des défauts de surface. 1.4.4 Les systèmes CFAO (CAD / CAM): La fabrication assistée par ordinateur permet d éliminer l étape de la réalisation des modèles positifs unitaires, de la fabrication de la maquette en cire, de la coulée pour la réalisation des restaurations. Les procédés automatiques de production des restaurations prothétiques, la qualité des matériaux employés ouvrent de nouvelles perspectives thérapeutiques. Les systèmes classiques et ceux de la CAO/CFAO sont décrits afin que chacun puisse objectivement choisir et assurer le succès clinique [1]. CAD / CAM = Computer Assisted Design / Computer Assisted Manufacturing (figure1.15) 21
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES Figure1.15: Prothèses fabriquées par les systèmes CFAO [2]. 1.4.5 Les éléments d un système (CAD / CAM) [1]: Les éléments d un système (CAD / CAM) se composent de : - Scanner : c est un système de reconnaissance de forme par voie optique ou contact mécanique. - Unité de fabrication à commande numérique : c est une machine à commande numérique, souvent multiaxes et capable d usiner les formes complexes provenant de formes scannées. - Unité de dessin et de calcul : c est un système informatique captant les données du scanner, et produisant les commandes pour la fraiseuse. Exemple: le fraisage par copie (figure1.16) et le système utilisable par le dentiste (figure1.17). Figure1.16: Fraisage par copie 22
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES Figure 1.17: Système utilisable par le dentiste 1.4.6 Autres nouvelles céramiques dentaires: 1.4.6.1 Les céramiques alumineuses: Elles contiennent une proportion importante d alumine dans le but de renforcer les céramiques dentaires. Plusieurs types de matériaux ont été successivement développés. La chape alumineuse est l exemple typique de l augmentation des propriétés physiques par l adjonction d une phase cristalline représentant 40 à 50 % en poids. L alumine a un haut module d élasticité (350 GPa) et une résistance à la rupture élevée (4 MPa.m 1/2 ). Sa dispersion au sein de la matrice de verre de CDT similaire entraîne la majoration de la résistance physique [20]. 1.4.6.2 Les céramiques «basses fusions»: [20] Les céramiques basses fusions sont en fait des céramiques à très basse fusion (de 660 C à 780 C). Elles sont utilisées dans la technique céramométallique pour l émaillage d alliages à base de titane ou d or à bas intervalle de fusion et pour réaliser les joints céramique-dent ou bien encore pour réparer des fractures ou des éclats de céramique. Elles peuvent aussi utilisées seules permettant la confection d inlays et d onlays céramique. Parmi les céramiques basse fusion, ils existent: 23
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES - Céramique Ducéram LFC: Le matériau Ducéram LFC se définit comme étant un matériau monophasique ne contenant pas de phase cristalline. - Céramique Ducéragold : La céramique Ducéragold est une céramique dentaire adaptée à un alliage riche en or dénommé Dégunorm (alliage or-platine jaune). - Céramique Finesse : La céramique Finesse est une céramique basse fusion à faible teneur de leucite de l ordre de 8 à 10 %. Les cristaux de leucite qui la composent sont plus fins (3 µm) que ceux dispersés dans la céramique conventionnelle (30 µm). - Céramiques «basses fusion» pour titane: Pour pouvoir être employé en technique céramométallique sur le titane, le matériau céramique doit répondre à une exigence technique principale, le coefficient de dilatation thermique doit être bas, en accord avec celui du titane (8,4 à 8,7 10-6 / C) sinon il se produit des craquelures et des tensions, dans le corps, néfastes à leurs propriétés mécaniques. 1.4.6.3 Matériaux pour céramiques sans armature métallique [20]: La double composition vitreuse et cristalline des céramiques a permis durant cette décennie l élaboration de nouveaux matériaux et procédés de restauration tout céramique tels que le la pressée à chaud et l usinage. - Céramique feldspathique renforcée à la leucite : Optec HSP Optec HSP est une céramique contenant plus de 45 % en volume de leucite tétragonale, ce qui augmente fortement sa résistance à la rupture et à la compression et lui confère un coefficient de dilatation thermique (CDT) élevé. La différence de CDT entre la leucite (22 à 25 10-6 / C) et la matrice vitreuse (8 10-6 / C) entraîne le développement de forces compressives tangentielles autour des cristaux de leucite qui s opposent à la propagation des microfractures et renforce le matériau [7]. - Céramique feldspathique renforcée à l alumine : Hi-Céram La chape alumineuse est l exemple typique de l augmentation des propriétés physiques par l adjonction d une phase cristalline représentant 40 à 50 % en poids [26]. 24
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES - Céramique feldspathique renforcée à la zircone : Des fibres de zircone tétragonale sont incluses dans une céramique feldspathique conventionnelle. La zircone subite une transformation cristallographique à 1173 C et l utilisation d oxydes (CaO, MgO, Y2O3 et CeO) permet sa stabilisation à température ambiante. Cette propriété cristallographique permet de stopper la propagation des craquelures de surface. La zircone stabilisée par l yttria augmente fortement la résistance à la fracture et aux chocs thermiques. Toutefois, les propriétés optiques et la température de fusion sont modifiées [16]. - Céramique feldspathique renforcée : Empress C'est une céramique pressée à chaud. Sa structure finale de l IPS Empress présente 40 à 50 % en volume d un cristal tétragonal de leucite (K2O-Al2O3-4SiO2). La résistance à la flexion est augmenté par la pressée à chaud (120 MPa) et les cuissons (160 à 180 MPa), ce résultat est dû à la répartition des fins cristaux de leucite et aux forces compressives issues du refroidissement entre les cristaux et la matrice [18]. - Céramique feldspathique renforcée: Vita Mark II et Vita Celay Ce sont une céramique feldspathique renforcée par du cristal de sanidine (KAlSi3O8) au sein d une matrice vitreuse. La sanidine rend opaque le matériau. Résistance à la flexion 3 points 120 N/mm 2 [18]. - Nouveaux systèmes de céramique dit «tout céramique»: Systèmes presses Empress II (Ivoclar) : Après l Empress I, dont la résistance en flexion était de 117 MPa, la société Ivoclar a développé un nouveau produit à base de disilicate de lithium permettant d augmenter sa résistance à la flexion à 350 MPa (soit 3 fois celle de l IPS Empress I ) [7]. 1.5 L'amalgame: 1.5.1 Définitions: Les amalgames dentaires sont des biomatériaux métalliques de restauration. Elles sont largement utilisées en dentisterie conservatrice, destinés à l'obturation des pertes de substance coronaire, simples ou complexes. Chimiquement ce sont, par définition, des alliages de mercure, soit ternaires: mercure- argent- étain (amalgames classiques) soit quaternaires: mercure- argent- étain cuivre (amalgames modernes). Elle s'effectue par trituration (broyage, malaxage) manuelle ou mécanique de l'alliage en poudre ou en tablettes, avec le seul métal liquide à température ordinaire: le mercure [4]. 25
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES La poudre : sa composition exacte est toujours plus ou moins secrète, mais un intervalle de composition en poids est connu: Ag:67-73% : l argent augmente l'expansion, la résistance et diminue le fluage. Sn:17-27%: l étain diminue l'expansion, la résistance, le fluage et la dureté, augmente le temps de prise, facilite l'amalgamation. Cu:1-5(parfois 12%): le cuivre augmente l'expansion, la résistance la dureté et diminue le fluage. Zn:0-2%: le zinc rend la condensation plus facile, évite la formation d'oxyde [3]. Le liquide : c est le mercure qui doit contenir moins 0,02% de résidus volatils et ne présenter aucune surface de contamination (figure 1.18) [4]. Le mercure destiné à l'amalgame dentaire doit être pur. Il doit porter le sceau d'approbation d'institutions reconnues internationalement sur le plan du contrôle de la qualité. Le mercure très pur est mélangé avec l'alliage pour produire une masse plastique qui se durcit au cours de la réalisation de prise [5]. Figure 1.18: Exemple pour restauration en amalgame. 1.5.2 La toxicité du mercure: Des recherches effectuées depuis quelques dizaines d années ont démontré que des vapeurs de mercure s échappent continuellement de la surface des amalgames et que la mastication et le bruxisme (le grincement des dents) contribuent à cette libération. De plus, quand on doit enlever ou restaurer une obturation, la chaleur dégagée par la fraise provoque le dégagement de vapeurs de mercure qui peuvent être absorbées par l organisme si elles ne sont pas adéquatement éliminées. La quantité du mercure métallique libérée serait toutefois bien au-dessous du seuil de toxicité. On croit actuellement que l'amalgame dentaire présente un rapport acceptable sans risque une fois correctement utilisé [5]. 26
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES 1.5.3 L obturation à l amalgame : Le choix d obturer à l amalgame est généralement un choix en seconde intention lorsque le collage n est pas possible ou la technique est trop onéreuse (en particulier lorsqu une technique indirecte est indiquée). L obturation à l amalgame va nécessiter un aménagement de la cavité de manière à assurer mécaniquement la rétention, la stabilité et la sustentation. L obturation par amalgame reste en revanche la technique présentant le plus long recul clinique et sert encore de référence pour l évaluation des autres techniques [26] (figure1.19). Figure 1.19: a. Cavité conservatrice pour amalgame, b. La restauration en amalgame 1.6 Les alliages métalliques: Les alliages dentaires sont utilisés dans toutes les disciplines odontologiques. Ils peuvent constituer des moyens médicaux mis en œuvre pour entrer dans la composition de dispositifs médicaux sur mesure. Ceux-ci sont représentés par les prothèses dentaires et les appareils d orthodontie. La confection de ces dispositifs nécessite divers procédés de mise en forme des alliages dentaires tels que la fonderie, le frittage, l électrodéposition et le façonnage. Tous ces procédés répondent à des critères d utilisation et à des impératifs de réalisation. Les alliages et les procédés de mise en forme doivent permettre la réalisation de pièces biofonctionnelles complexes qui sont utilisées dans les techniques restauratrices, prothétiques, orthopédiques ou implantologiques [27]. De nos jours, deux groupes d alliages dentaires sont utilisés : les alliages dentaires précieux et les alliages dentaires non précieux. L or est le composant principal des alliages précieux. 1.6.1 Les alliages d'or: Ils servent à l'obturation des cavités dentaires et permettent la réalisation des pièces coulées ainsi que des prothèses. Chimiquement, ce sont des alliages ternaires d'au-ag-cu ou des 27
CHAPITRE I LES MATERIAUX DENTAIRES alliages plus complexes avec l'addition mineures de palladium, de platine et de zinc. Tous ces constituants ont des actions complémentaires où l'or confère aux alliages une résistance à la corrosion, une grande ductilité et il est très bien dans le milieu buccal (dans ce cas une grande teneur en or est exigée > 75 %) [4], (figure 1.20). Figure 1.20: Chape terminée en or [28]. 1.6.2 Les alliages de chrome-cobalt: De composition chrome-cobalt-molybdène ou chrome-cobalt-nickel-molybdène, ces alliages sont destinés à la confection des châssis métalliques, des prothèses et des fils de correction des dents naturelles. Ils présentent une excellente rigidité sous faible épaisseur en plus de la très bonne biocompabilité [4]. 1.7 Les céments: Présenté vers la fin de 1800, le ciment a été préparé à partir du verre d'alumine-silice et de l'acide phosphorique. La popularité du ciment de silicate a été liée à sa propriété esthétique, le dégagement lent du fluorure, et sa grande résistance à la compression, qui a placé ce produit parmi les ciments inorganiques les plus forts connus à ce moment-là. Le contenu de fluorure a aidé pour protéger l'émail des dents adjacentes contre la carie. Plusieurs des restaurations de silicate étaient réussies et des temps des durées de vie cliniques jusqu'à 20 ans sont rapportés. Cependant, le ciment de silicate est très soluble dans les fluides oraux et il manque des propriétés mécaniques adéquates. La recherche des matériaux de rechange a mené au développement des résines restauratrices aux polymères [5]. 28