Multi-scale geometrical and mechanical characterization of intact dentin
Caractérisation géométrique et mécanique multi-échelle de la dentine humaine
Résumé
Human dentin is one of the main components of human tooth. It shows a hierarchicalstructure from a multi-scale point of view. Generally speaking, dentin can be seen as a hard biomaterial consisting in 3 phases: the porous phase made of tubules, the inclusion phase made of peritubular dentin and the matrix phase made of intertubular dentin. These hierarchical structures strongly determine its mechanical properties. The knowledge of its structure, its mechanical property and its deformation behavior due to the variation of the external environment may be useful to improve the dentin restoration process. In this work, four observation techniques (µCT, optical microscope, ESEM and confocal microscope) have been used and compared. Particularly, confocal microscopy is proposed to allow 3D visualization of the complex dentin porous network. Compared with usual 2D observation tool, it may provide new information. For example, near the DEJ, tubules show a more complex treestructure than the Y-shaped deduced from 2D observations. These findings may also allow to achieve more realistic modeling considering the complex porous structure inside human dentin.Later on, compression test associated with DIC was carried out within an integrated system which can control simultaneously the humidity and the temperature of the environment. Using this system, the elastic modulus of human dentin was measured to be 16.7GPa with a standard deviation of 5.1GPa. And the Poisson’s ratio was found to be 0.31. The dilatation behavior of human dentin due to relative humidity was also explored. Furthermore, resonant ultrasound spectroscopy was performed in order to compare the results with these mechanical testing. At the micro-scale, the mechanical properties of peritubular dentin and intertubular dentin werecharacterized by nanoindentation. The two methods used in this work (dynamic CSM method and the static unload method) present the same trends of elastic moduli for the two components. Peritubular dentin has a higher elastic modulus (26.7GPa with a standard deviation of 3.1GPa) than intertubular dentin(16.2GPa with a standard deviation of 5.5GPa). Besides, the creep behavior of dentin was assessed by nanoindentation. Four elements Maxwell-Voigt model can be used to model dentin’s creep behavior.To sum up, a morphological and mechanical study of the dentinal tissue has been performed. New techniques, such as confocal microscopy have been used and showed their usefulness in order to give new insight into the dentinal tissue. The mechanical testing protocols that have been set up at different scales will enable to better understand the structure-property relationship by using them associated with the observation tools validated in this work.
La dentine est l’un des principaux éléments constitutifs de la dent humaine. Elle montre une structure hiérarchique. A l’échelle microscopique, la dentine est composée de tubules (porosité naturelle du tissu), de dentine péritubulaire et de dentine intertubulaire.L’organisation de ces structures détermine fortement ses propriétés mécaniques. La connaissance de sa structure, de ses propriétés mécaniques et de ses déformations dues aux variations de l’environnement extérieur peuvent être utiles afin d’améliorer les protocoles de restauration de la dentine. Dans ce travail, quatre techniques d’observation (µCT, microscope optique, ESEM et microscope confocal) ont été explorées et comparées. En particulier, la microscopie confocale a été utilisée afin de visualiser en 3D le réseau poreux dentinaire. Comparée à l’observation 2D, elle permet d’obtenir des informations supplémentaires. Par example, les tubules montrent des structures en arbre plus complexes près de l’email que la forme en Y déduite des observations 2D. Ces résultats peuvent également nous fournir des données d’entréespour une modélisation réaliste prenant en compte la structure poreuse complexe à l’intérieur de la dentine humaine.Par la suite, un test de compression associé à la correlation d’images numérique a été mis en place avec un système qui permet de commander simultanément l’humidité et la température de l’environnement. Grâce à ce dispositif, le module d’élasticité de la dentine humaine a été mesuré (16.7GPa avec un écart-type de 5.1GPa), et le coefficient de Poisson a été estimé à 0.31. Le comportement de dilatation de la dentine humaine avec l’humidité relative a été étudié. La spectroscopie par résonance ultrasonore (RUS) a été utilisée et ses résultats comparés au test de compression mécanique. À échelle microscopique, les propriétés mécaniquesde la dentine péritubulaire et de la dentine intertubulaire ont été caractérisées par nanoindentation. Les deux méthodes utilisées (méthode dynamique CSM et méthode de déchargement statique) indiquent les mêmes tendances en matière de module d’Young pour les deux composantes de la dentine. La dentine péritubulaire a un module d’élasticité plus élevé (26.7GPa avec un écart type de 3.1GPa) que la dentine intertubulaire (16.2GPa avec un écart type de 5.5GPa). De plus, le comportement en fluage de la dentine a été étudié par nanoindentation. Il se trouve qu’un modèle de Maxwell-Voigt à quatre éléments peut être utilisé pour évaluer le comportement en fluage de la dentine.Pour résumer, une étude morphologique et mécanique du tissu dentinaire a été effectuée. De nouvelles techniques, par example, la microscopie confocale ont été utilisées et ont montré leur utilité dans le but de donner un nouvel éclairage sur le tissu dentinaire. Les protocoles d’essais mécaniques qui ont été mis en place à différentes échelles permettront de mieux comprendre la relation structure-propriété en utilisant les outils d’observation validés dans ce travail.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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