Mécanique multi-échelle de la dentine atteinte de Dentinogenèse Imparfaite

Multiscale Mechanics of Dentin with Dentinogenesis Imperfecta

• Auteur / Autrice : Shangaya Touraivane
• Direction : Elsa Vennat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MILA - Milieux architecturés
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Tissus biologiques durs

Mécanique expérimentale

Mécanique de la rupture

Biological hard tissus

Experimental mechanics

Fracture mechanics

Résumé

Isolating the mechanisms and pertinent length-scale associated with the plasticity, toughness of tooth is the key to understand and treat teeth weakened by disease. The pathology we propose to investigate is the Dentinogenesis Imperfecta (DI). DI is a rare genetic disease [1] characterized by hypomineralization and structural abnormality of dentin, leading to extremely rapid wear and early tooth loss. The dentin has a decreased mineral content with fewer hydroxyapatite crystals and abnormal tubules [2][3]. As the activity of odontoblasts is altered in case of DI, lesser, smaller (i) and abnormal (ii) tubules are observed. Collagen fibrils are also coalesced (iv) in most areas and presented a bimodal distribution of diameters (unlikely the unimodal distribution found in healthy dentin). The analysis of the microstructure of such 'abnormal' dentin (with atubular areas, “U-turn” tubules, numerous mineralization defects…[5]), almost not investigated in 3D to date, is currently carried out in our team using observation techniques at different scales from optical microscopy to TEM and ptychotomography. The aim of this thesis is to link this abnormal morphology at different scales to the poor mechanical properties of the affected tissue. To do so, new experiments at relevant scales will be designed. First local mechanical properties (elastic modulus and hardness) of healthy dentin (control group) and DI affected dentin will be assessed by nano-indentation. The observed abnormal morphological entities at this scale are : stripes arising from the dentino-enamel junction that seems to indicate a periodic pattern of rigidity, comet-like areas surrounding some tubules where sharp gradients of density are observed [6]. The local elastic modulus and its variation will be assessed and the way the tissue resists crack propagation using indentation splitting test with a sharp indenter [7]. Complementary in-situ SEM toughness test will be performed and the data obtained will be analyzed. Micro-cracking will be investigated. In particular, the influence of mineralization defects will be questioned. In the SEM, the microstructure and its changes will be imaged, in particular, the branches and crack surface (back-scattered SEM) in DI and control dentin. We will also select regions of interest and extract these regions using the FIB-SEM to perform nanoscale experiments. At the nanoscale, the fracture toughness resistance-curve at various states of mechanical deformation/damage of FIB-milled samples loaded in situ (in the TEM). This type of experiments is very innovative and have never been done on such biological tissues. The Ph.D. candidate will have to set up the test and perform it on healthy and DI samples. The way the crack propagates in the mineral/organic entanglement has never been seen at this scale despite the crucial role of collagen fibrils orientation on resistance to crack in biological hard tissues. This multiscale study aims at a better understanding of the structure-properties relationship in dentin affected by Dentinogenesis Imperfecta. To do so, state of the art in-situ mechanical testing at the different relevant scales will be designed. The results will allow a better understanding of Dentinogenesis Imperfecta and its mechanical consequences and, at long term, an improvement of the treatment of this pathology. [1] Molla, M. DENTINE, DENTINOGENESE ET ALTERATIONS DE STRUCTURE D'ORIGINE HEREDITAIRE. (2004). [2] MacDougall, M., Simmons, D., Gu, T. T. & Dong, J. MEPE/OF45, a New Dentin/Bone Matrix Protein and Candidate Gene for Dentin Diseases Mapping to Chromosome 4q21. Connective Tissue Res. 43, 320–330 (2002). [3] MacDougall, M. Dental Structural Diseases Mapping to Human Chromosome 4q21. Connective Tissue Research 44, 285–291 (2003). [4]S. Ibrahim, A.P. Strange, S. Aguayo, A. Shinawi, N. Harith, N. Mohamed-Ibrahim, S. Siddiqui, S. Parekh, L. Bozec, Phenotypic Properties of Collagen in Dentinogenesis Imperfecta Associated with Osteogenesis Imperfecta, IJN. 14 (2019) 9423–9435. [5] Hall, R. K., Manière, M.-C., Palamara, J. & Hemmerlé, J. Odontoblast Dysfunction in Osteogenesis Imperfecta: An LM, SEM, and Ultrastructural Study. Connective Tissue Research, 43, 401–405 (2002). [6] Riou, M., Vennat, E., Reiss, T., Haghi, P., Vallet, M., Fournier, B, and de La Dure-Molla M., How does dentinogenesis imperfecta affect dentin's structure and mechanics? CMBBE 2023. [6] Golovin Y. I., Nanoindentation and Mechanical Properties of Materials at Submicro- and Nanoscale Levels: Recent Results and Achievements, Phys. Solid State. 63, 1–41 (2021).

La Dentino-genèse Imparfaite (DI) est une maladie génétique rare [1] caractérisée par une hypominéralisation et une anomalie structurelle de la dentine, entraînant une usure extrêmement rapide et une perte précoce des dents. La dentine a un contenu minéral réduit, avec moins de cristaux d'hydroxyapatite et des tubules anormaux [2][3]. Comme l'activité des odontoblastes est altérée en cas de DI, on observe des tubules moins nombreux, plus petits (i) et anormaux (ii). Les fibrilles de collagène sont également coalescées (iv) dans la plupart des zones et présentent une distribution de diamètre bimodale des diamètres (la dentine saine présente une distribution unimodale). L'analyse de la microstructure d'une telle dentine 'anormale' (avec des zones atubulaires, des tubules 'en U', de nombreux défauts de minéralisation...[4]), quasiment pas étudiée en 3D à ce jour, est actuellement réalisée dans notre équipe en utilisant des techniques d'observation à différentes échelles allant de la microscopie optique à la microscopie électronique à transmission (MET) et à la ptychotomographie (PXCT). L'objectif de cette thèse est de relier cette morphologie anormale à différentes échelles aux faibles propriétés mécaniques du tissu affecté. Pour ce faire, de nouvelles expériences à des échelles pertinentes vont être mises en place. Tout d'abord, les propriétés mécaniques locales (module d'élasticité et dureté) de la dentine saine (groupe témoin) et de la dentine affectée par la DI seront évaluées par nano-indentation (dispositif existant au LMPS). Les entités morphologiques anormales observées à cette échelle (et donc à sonder) sont : des alternances de densité sous forme de bandes périodiques émergeant de la jonction amélo-dentinaire, des zones ressemblant à des comètes entourant certains tubules où de forts gradients de densité sont observés [5]. Le module d'élasticité local et sa variation seront évalués ainsi que la façon dont le tissu résiste à la propagation des fissures en utilisant un test de fendage par pénétration d'un indenteur pointu [6]. Un test complémentaire de ténacité in-situ par MEB sera effectué et les données obtenues seront analysées. La micro-fissuration sera étudiée. En particulier, l'influence des défauts de minéralisation sera questionnée. Au MEB, la microstructure et ses changements seront imagés (en particulier, la surface de la fissure) dans la dentine DI et la dentine témoin. Nous sélectionnerons également des régions d'intérêt et les extrairons à l'aide du FIB-SEM pour réaliser des expériences à l'échelle nanométrique. À l'échelle nanométrique, nous observerons les échantillons à différents états de déformation/endommagements mécaniques au MET et des échantillons usinés par FIB seront chargés in situ afin de tracer la courbe de résistance à la rupture. Ce type d'expérience est très innovant et n'a jamais été réalisé sur de tels tissus biologiques. Le candidat au doctorat devra mettre en place le test et le réaliser sur des échantillons sains et DI. La façon dont la fissure se propage dans l'enchevêtrement minéral/organique n'a jamais été observée à cette échelle malgré notre connaissance du rôle crucial de l'orientation des fibrilles de collagène sur la résistance à la fracture dans les tissus durs biologiques. Cet essai nous permettra de quantifier de manière inédite l'impact des nano-structures sur la ténacité du tissu. Pour résumer, cette étude multi-échelle vise à mieux comprendre la relation structure-propriétés dans la dentine affectée par la Dentinogenèse imparfaite. Pour ce faire, des tests mécaniques in-situ de pointe seront conçus aux différentes échelles pertinentes. Les résultats permettront de mieux comprendre la Dentinogenèse imparfaite et ses conséquences mécaniques et, à long terme, d'améliorer le traitement de cette pathologie. [1] Molla, M. DENTINE, DENTINOGENESE ET ALTERATIONS DE STRUCTURE D'ORIGINE HEREDITAIRE. (2004). [2] MacDougall, M., Simmons, D., Gu, T. T. & Dong, J. MEPE/OF45, a New Dentin/Bone Matrix Protein and Candidate Gene for Dentin Diseases Mapping to Chromosome 4q21. Connective Tissue Res. 43, 320–330 (2002). [3] MacDougall, M. Dental Structural Diseases Mapping to Human Chromosome 4q21. Connective Tissue Research 44, 285–291 (2003). [4]S. Ibrahim, A.P. Strange, S. Aguayo, A. Shinawi, N. Harith, N. Mohamed-Ibrahim, S. Siddiqui, S. Parekh, L. Bozec, Phenotypic Properties of Collagen in Dentinogenesis Imperfecta Associated with Osteogenesis Imperfecta, IJN. 14 (2019) 9423–9435. [5] Hall, R. K., Manière, M.-C., Palamara, J. & Hemmerlé, J. Odontoblast Dysfunction in Osteogenesis Imperfecta: An LM, SEM, and Ultrastructural Study. Connective Tissue Research, 43, 401–405 (2002). [6] Riou, M., Vennat, E., Reiss, T., Haghi, P., Vallet, M., Fournier, B, and de La Dure-Molla M., How does dentinogenesis imperfecta affect dentin's structure and mechanics? CMBBE 2023. [6] Golovin Y. I., Nanoindentation and Mechanical Properties of Materials at Submicro- and Nanoscale Levels: Recent Results and Achievements, Phys. Solid State. 63, 1–41 (2021).