Étude morphologique et biomécanique multi-échelle de la dentine : vers une meilleure compréhension des relations microstructures-propriétés
Auteur / Autrice : | Asef Hemmati |
Direction : | Nicolas Schmitt, Elsa Vennat |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Science des Matériaux |
Date : | Soutenance le 10/12/2021 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021) |
référent : CentraleSupélec (2015-....) | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Pierre Millet |
Examinateurs / Examinatrices : Yannick Tillier, Jean-Marc Allain, Élisabeth Dursun, Chloé Arson | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Tillier, Jean-Marc Allain |
Mots clés
Résumé
Pour améliorer les restaurations dentaires, le tissu dentinaire, une structure multi- échelle doit être mieux caractérisé. A l’échelle microscopique, la dentine présente des tubules enrobés de dentine intertubulaire (ITD). Les tubules sont constitués d’une lumière tubulaire et d’un collier péritubulaire (PTD) hautement minéralisé. À l’échelle nanoscopique, l’ITD est constituée de fibrilles de collagène et de cristaux d’hydroxyapatite. À ce jour, il n'y a toujours pas d'accord sur la façon dont la structure multi-échelle de la dentine affecte ses propriétés mécaniques (niveau et orientation de l’anisotropie, gradient spatiaux).Cette thèse apporte des éléments nouveaux clarifiant le rôle de la microstructure dentinaire sur ses propriétés mécaniques. Deux pistes ont été suivies, celle de la simulation numérique et celle de l’expérimentation à une échelle où la microstructure varie peu. Pour alimenter et analyser l’expérimentation et la simulation, des propriétés morphologiques et mécaniques de la microstructure ont été obtenues par imagerie MEB et nanoindentation.Les propriétés morphologiques de la dentine ont été mesurées. Les paramètres classiques ont été mesurés (dimensions, fractions surfaciques des constituants, densité des tubules, …). Une analyse originale a été menée sur le réseau poreux secondaire de la dentine constituée de branchements latéraux (LB) ; des données inédites ont été obtenues.Des essais de nanoindentation ont été réalisés pour caractériser les entités de taille microscopique. Selon la profondeur de l'indentation, les propriétés mécaniques des constituants de la dentine à l’échelle microscopique (ITD et PTD séparément) ou le composite homogénéisé (le tissu dentinaire fait de vides, d’ITD et de PTD) ont été mesurées.Pour simuler les résultats « expérimentaux » obtenus à une certaine profondeur d'indentation à partir d’une micrographie, un outil a été développé (Virtual Nanoindentation), adapté pour l'étude des gradients de propriétés de la dentine dont la microstructure varie en fonction de la localisation. Il a ainsi été possible de porter un regard critique sur les modules locaux des constituants mesurés par les essais.Ces résultats nous ont permis de développer une modélisation micromécanique de la dentine à différentes localisations (près de l’émail, au milieu du tissu, près de la cavité pulpaire). En considérant une microstructure périodique et en exploitant les données morphologiques, une cellule représentative périodique a été définie et les propriétés des constituants sont issues des résultats expérimentaux. Les simulations numériques ont permis notamment de calculer la matrice de rigidité élastique homogénéisée et locale de la dentine. Ces simulations numériques ont permis de comparer la matrice de rigidité élastique des microstructures avec ou sans LB. Aucun effet significatif des LB sur la rigidité élastique de la dentine n'a été observé, mais une plus forte concentration de contraintes a été constatée dans les zones où les LB se connectent aux tubules.Enfin, un test de micro-traction in situ (sous MEB) de dentine a été développé pour caractériser le comportement mécanique du tissu dentaire « homogénéisée » et étudier les gradients spatiaux de propriétés liés aux gradients de microstructure dans la dentine. Effectué sur une « micro éprouvette » (30 µm de longueur utile, 13 µm d’épaisseur), il est encore en cours d’amélioration, mais sa faisabilité a été prouvée dans ce travail. Cet essai complémentaire à la nanoindentation apportera un éclairage supplémentaire sur le lien entre la microstructure et le comportement mécanique du tissu.