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Cher.e.s collègues,

Asef Hemmati soutiendra sa thèse à Centrale-Supélec vendredi 10 décembre 2021 à 15h.

Titre : Multiscale morphological and biomechanical study of dentin: towards better understanding of structure-properties relationship

Direction : Elsa Vennat (MSSMat), Nicolas Schmitt (LMT)

Résumé : Pour améliorer les restaurations dentaires il est important de mieux caractériser le tissu dentinaire qui est leur support majoritaire. Le tissu dentinaire, qui se situe entre l'émail et la pulpe, est le tissu majoritaire de la dent en volume, il présente une structure à plusieurs échelles. A l’échelle microscopique, la dentine présente des tubules entre lesquels se trouve la dentine intertubulaire. Les tubules sont constitués d’une lumière tubulaire (remplie de fluides biologiques et de prolongements cellulaire) et d’un collier péritubulaire (PTD) hautement minéralisé. A l’échelle nanoscopique, l’ITD est constituée de fibrilles de collagène et de cristaux d’hydroxyapatite. Bien que de nombreuses recherches aient été menées sur le tissu dentinaire, il n'y a toujours pas d'accord sur la façon dont la structure multi-échelle de la dentine affecte ses propriétés mécaniques. Par exemple, toutes les études ne s'accordent pas sur le degré d'anisotropie élastique de la dentine et sur l'orientation de cette anisotropie par rapport à sa microstructure. Elles ne s'accordent pas non plus sur la façon dont la rigidité élastique varie localement (de l'émail à la pulpe).
Cette thèse a pour but d’amener des éléments pour clarifier le rôle de la microstructure dentinaire sur ses propriétés mécaniques. Pour ce faire, il est nécessaire d’être capable d’accéder au comportement mécanique du tissu à une échelle ou la microstructure varie peu. Pour cela, deux pistes ont été suivies, celle de la modélisation et de la simulation numérique présentée au chapitre 3 et celle de l’expérimentation à une échelle pertinente présentée sous forme de travaux préliminaires au chapitre 4. Pour analyser les deux types d’essais (numérique ou expérimentaux), des données morphologiques et mécaniques locales sont nécessaires. Elles sont obtenues aux chapitres 1 et 2.
Dans un premier temps (chapitre 1), les propriétés morphologiques de la dentine ont été mesurées en fonction de la localisation. Outre les paramètres mesurés classiquement (tels que les dimensions et les fractions de surface des constituants à l'échelle microscopique, la densité des tubules), un soin particulier a été porté au réseau poreux secondaire de la dentine. Des données inédites sur ce réseau en fonction de la localisation dans la dentine ont été obtenues.
La principale difficulté de la caractérisation mécanique de la dentine réside dans les dimensions microscopiques de ses entités. Pour ces petites entités, la nanoindentation est une méthode d'expérimentation habituelle. Selon la profondeur de l'indentation, les résultats de la nanoindentation sont à différentes échelles : ils peuvent représenter les constituants de la dentine ou être attribués au composite homogénéisé. Dans le chapitre 2 de cette thèse, un outil est développé pour simuler les résultats que l'on peut attendre à partir d'une certaine profondeur d'indentation (en ayant comme entrée un micrographe de la surface). Cet outil est particulièrement intéressant pour l'étude de la dentine car les propriétés morphologiques de la microstructure de la dentine (les dimensions et les fractions de surface de ses éléments) varient en fonction de l'emplacement dans la dentine. Grâce à cet outil, il est possible d'avoir un regard critique sur les modules locaux, qui sont mesurés pour les constituants (c'est-à-dire la mesure dans laquelle les tests de nanoindentation ont bien caractérisé chaque constituant).
Dans le chapitre 3, la dentine est modélisée numériquement à l'échelle micro à différents endroits. En supposant une périodicité dans la microstructure de la dentine et en utilisant les données morphologiques du chapitre 1, une géométrie simplifiée sous la forme de "cellules unitaires répétées" ("RUC") est définie. Les autres exigences des simulations numériques (propriétés mécaniques des constituants) sont tirées du chapitre 2. Les simulations numériques donnent la matrice de rigidité élastique locale de la dentine. Ces simulations numériques permettent de comparer la matrice de rigidité élastique des RUC avec ou sans LB. Il est intéressant de noter qu'aucun effet significatif des LB sur la rigidité élastique de la dentine n'est observé. Un autre point concernant les LB que ces simulations numériques révèlent est la forte concentration de contraintes aux endroits où les LB se connectent aux tubules.
Enfin, le chapitre 4 décrit un test préliminaire de micro-traction in situ (sous MEB) sur un échantillon de dentine, qui est effectué à la plus petite échelle jamais réalisée (avec une longueur de jauge de 30 µm). Cette expérience, encore en cours d’amélioration, permettra d'obtenir une estimation de la résistance à la traction de la dentine en fonction de la localisation de l’échantillon et donc de mieux comprendre le lien entre la microstructure et le comportement mécanique du tissu localement. Une analyse fractographique de l'échantillon révélera des détails sur les mécanismes de fracture du tissu dentinaire en particulier, si celle-ci s’initie aux lieux de concentration de contraintes identifiés au chapitre 3.

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La société de biomécanique est une société savante créée en 1976 qui a pour objet de diffuser, partager et communiquer au plus grand nombre les connaissances actualisées dans le domaine de la mécanique des organismes vivants. De très nombreux thèmes de recherche et d'applications sont concernés par la biomécanique. Plus de détails sont fournis sur cette page thématiques.

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La nouvelle édition 2021 du livret histoire est à découvrir ici. Un grand merci à Chantal PEROT pour ce travail minutieux !
Les bourses de collaboration recherche 2021 ont été décernées lors du congrès de Saint-Étienne. Dans la catégorie chercheur.e expérimenté.e, la bourse collaboration recherche de la SB est décernée...
La nouvelle édition (6 e ) des pionniers de la biomécanique est disponible ICI . Un nouveau chapitre sur Léonard de Vinci y a été proposé par la Pr Laurence CHEZE, merci à elle !
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