Tenons en composite à base de fibres

Les méthodes de reconstitution corono-radiculaire ont subi ces dernières années de nombreuses évolutions. Les pièces métalliques coulées, qui ont toujours un succès indéniable, ne sont pas sans risque, tout comme les ancrages utilisant des tenons préfabriqués associés à des matériaux plastiques au moment de leur insertion (amalgames, résines composites).

L'ancrage à base de fibres de carbone

Le carbone est utilisé dans de très nombreux domaines, par exemple l'aéronautique, les technologies de l'espace et des communications, le sport, l'industrie automobile et la fabrication des biomatériaux. Ces nombreuses applications sont liées aux qualités multiples et parfois paradoxales du carbone qui peuvent être à l'origine d'un comportement mécanique très favorable. L'odontologie n'échappe pas à la règle, notamment en utilisant la fibre de carbone dans les ancrages destinés aux reconstitutions corono-radiculaires [¹].

Le premier tenon en fibres de carbone, apparu en 1988, a été le Composipost^® (RTD, distribué par Bisico). Ces tenons sont composés de deux parties [², ³] :

- des fibres de carbone, de l'ordre de 7 μ m de diamètre, équitendues et unidirectionnelles dans l'axe du tenon. Elles représentent 64 %, en volume, du tenon ;

- une matrice organique qui sert de liant aux fibres de carbone et qui représente 36 %, en volume, du tenon.

La forme du tenon et les différents diamètres sont obtenus par usinage ; cette opération crée un état de surface pourvu de microaspérités de 5 à 15 μm favorables, selon les concepteurs, à l'adhésion mécanique du composite de collage et du matériau de reconstitution coronaire sur le tenon [⁴].

Depuis quelques années, des auteurs se sont intéressés à ce type d'ancrage soit dans un but clinique [⁵-⁸], soit en vue de caractériser le matériau [⁹-¹²], soit enfin pour le comparer aux tenons métalliques [¹³, ¹⁴]. Torbjörner et al. [¹⁵] et Purton et Payne [¹⁴], en 1996, ont comparé les propriétés mécaniques de tels tenons à celles des ancrages métalliques ; Sidoli et al. [¹⁶], en 1997, et Martinez-Insua et al. [¹⁷], en 1998, ont étudié les effets des contraintes qu'ils transmettent.

Dès l'introduction de ces ancrages, le comportement mécanique a été décrit et très peu d'études ont confirmé ou infirmé depuis les résultats obtenus.

Pour envisager comment les propriétés particulières de ces tenons peuvent conduire à les proposer en remplacement des tenons métalliques, cet article précise la composition et les principes de fabrication de ce matériau composite, expose les résultats de l'évaluation des propriétés mécaniques de tels ancrages et, enfin, aborde les problèmes d'adhésion relatifs à ce matériau.

Structure du matériau composite à charge de fibres de carbone

Les fibres de carbone ont une longue histoire qui remonte à la fin du siècle dernier, aux travaux de Thomas Edison qui a décrit, dans l'un des premiers brevets (US patent 470-925, 15 mars 1892), la fabrication des filaments de la lampe à incandescence. La naissance de la fibre de carbone moderne remonte aux années 1950 avec les travaux, publiés en 1961, de Shindo, de l'Institut de recherches industrielles d'Osaka au Japon [¹⁸].

Avant de pouvoir être utilisées dans les composites à matrice polymère, les fibres de carbone doivent subir deux traitements pour améliorer leur maniabilité et leur compatibilité avec les résines. Le premier consiste en une oxydation par air chaud ou par voie chimique ou électrolytique afin de créer sur leur surface des groupes réactifs qui se combinent à la résine pour faciliter son accrochage lors de la mise en œuvre. Le second est un ensimage, c'est-à-dire un enrobage de la fibre avec un alcool polyvinylique ou une résine époxyde ; cet ensimage assure une protection mécanique de la fibre, qui garantit son intégrité pendant son transport et son tissage, et qui améliore également l'adhérence de la matrice.

Les fibres de carbone se caractérisent par une résistance élevée, alliée à une grande légèreté : densité de 1,75 (fibres à haute résistance) à 1,9 (fibres à très haut module). Elles sont donc associées, pour former le matériau composite, à une matrice organique ; celle-ci est soit de type polyépoxyde (Composipost^® RTD, distribué par Bisico ; Perfect^®, Dental Emco) ou ester de vinyle (Absolu^®, SPAD-Dentsply).

Fabrication du composite constituant les tenons radiculaires

Les tenons radiculaires en composite à base de fibres de carbone sont fabriqués par usinage au moyen de meules, d'un jonc de 2 mm de diamètre. Le principe de fabrication de ce jonc, est particulier, il est dit par pultrusion (^{fig. 1}). Le procédé de pultrusion ( to pull : tirer) consiste à tirer des fibres imprégnées de résine thermodurcissable à travers un moule filière où s'effectuent la mise en forme et la réticulation. Une étuve de postcuisson, incluse ou non dans le processus de transformation, permet d'assurer une polymérisation complète. Un système de découpe débite le profilé à la longueur désirée [²⁰].

Mise en forme du tenon

Les tenons radiculaires sont fabriqués à partir d'un jonc de composite qui est usiné au moyen d'une machine équipée de meules dont la partie travaillante reproduit la forme du tenon en négatif.

Les biseaux peuvent être réalisés grâce à des disques diamantés. Le tenon sectionné à la longueur désirée est ensuite nettoyé éventuellement dans un bain à ultrasons puis conditionné.

Propriétés mécaniques des tenons à fibres

Depuis 1990, de nombreux auteurs ont étudié la résistance de reconstitutions corono-radiculaires avec des tenons en fibres de carbone [²¹]. Parmi les différents ancrages évalués, figurait celui élaboré par Dunlop Medical Product (Coventry, Royaume-Uni). Peu d'auteurs ont par contre évalué les propriétés mécaniques des tenons eux-mêmes. Duret et al., en 1990 puis en 1992 [³, ⁴], ont mis en évidence les intérêts qu'offre ce matériau utilisé comme tenon radiculaire. Pour eux, le module d'élasticité des tenons varie, en fonction de l'orientation de la charge, de 8 à 90 GPa et il est de 21 GPa pour une contrainte orientée à 30°. La grande majorité des auteurs [¹, ⁵, ⁹] a, depuis, repris les résultats de Duret et al. En 1996, Torbjörner et al. [¹⁵] ont évalué la résistance en flexion à 3 points de tenons Composipost^®, en fonction des conditions de stockage : à l'air sec avec et sans thermocyclage, dans de l'eau avant et après thermocyclage. Ils concluent que le thermocyclage et l'humidité affectent les propriétés mécaniques du tenon. Ils ne donnent pas, dans leur étude, de valeurs précises du module d'élasticité si ce n'est un intervalle large de 45 à 215 GPa.

Les travaux que nous avons réalisés [²², ²³] sur les propriétés mécaniques et, en particulier, élastiques des tenons à fibres ont conduit aux conclusions suivantes. Il est apparu peu adapté d'appliquer les méthodes d'étude du matériau en modèle plan (étude sur des plaques de composite à fibres/matrice époxyde) à la détermination du comportement de tenons radiculaires dont la forme n'est pas celle d'une plaque. Nous pensons qu'il est difficile de déduire des valeurs obtenues expérimentalement que le comportement du tenon selon des angles intermédiaires, par exemple de 30° ou 45°, serait identique à celui d'un matériau de module de Young égal à 20 GPa, comme celui donné pour la dentine humaine [²⁴-²⁶]. Cette approche ne semble pas tenir compte de la structure globale du tenon. Celui-ci présente une forme élancée, il se rapproche par son comportement de celui d'une poutre : dans les phénomènes de flexion et de compression d'une poutre, les déplacements sont essentiellement fonction du module d'élasticité dans le sens de la longueur (élasticité du matériau quand il est sollicité dans son grand axe). En conséquence, la réponse du tenon en compression, en flexion ou soumis à un effort oblique pourrait dépendre en grande partie du module d'élasticité axial et non transversal. Le tenon dont une des dimensions, la longueur, est beaucoup plus importante que le diamètre ne peut se comporter comme une plaque dont on peut dire que la rigidité évolue avec l'angle d'orientation des fibres :

- lorsqu'un effort est appliqué sur le tenon selon son axe principal (en compression ou en traction), la déformation (ε) du tenon a lieu suivant cet axe ;

- lorsqu'un effort est appliqué dans le sens perpendiculaire à l'extrémité du tenon, celui-ci est mis en flexion. La déformation a lieu suivant l'axe principal. En effet le matériau est, de part et d'autre d'un axe central, en tension ou en compression [²², ²⁷, ²⁸]. Le déplacement induit une déformation ( ε ) selon l'axe principal, comme l'illustre la ^{figure 2} .

On peut considérer que les phénomènes de traction et de flexion seraient en grande partie régis par la rigidité axiale (dépendant ainsi du module d'élasticité dans le sens de la longueur). Un effort intermédiaire suivant un angle oblique (30 ou 45°, par exemple) provoque une combinaison de traction et de flexion, mais la rigidité axiale intervient en grande partie dans le comportement du tenon.

États de surface et interfaces tenons/systèmes adhésifs : observation en MEB

Parallèlement aux propriétés mécaniques de ce type d'ancrage, il semble intéressant d'apprécier les particularités propres aux tenons à fibres pour mieux appréhender une autre de leur spécificité : leur adhésion à la dentine radiculaire.

Des observations ont été réalisées en microscopie électronique à balayage (MEB) pour permettre des rapports de grandissement suffisamment importants. Trois types de tenons commercialisés ont été retenus :

- Composipost^® radio-opaque n°1 ;

- Perfect^® n°1 et n°2 ;

- Absolu^® n°2.

Les tenons ont été métallisés à l'argent pour permettre une meilleure conductivité et une plus grande qualité d'image. Trois tenons de chaque catégorie ont été préparés et observés, les images les plus significatives ayant été retenues. Les interfaces tenon/système adhésif ont été observées pour chacun des tenons cités, qui ont été utilisés avec le produit de collage préconisé par le fabricant (^{tabl. I}).

Cinq échantillons ont été réalisés pour chaque type de tenon. Les logements, faits dans des masse-lottes de polyéthylène, étaient surdimensionnés pour qu'une épaisseur suffisante de matériau de collage puisse y être versée. La mise en place de ce matériau a été faite au bourre-pâte et le tenon a été immédiatement mis en place ; un temps de prise de 48 heures a été respecté.

Les sections ont été faites au disque diamanté puis les échantillons ont été polis avant métallisation à l'argent. Les images les plus représentatives ont été retenues.

Les observations ont été réalisées sur un microscope Leo 435 VP (Cambridge, Royaume-Uni) dans des rapports de grandissement originaux de 60 à 20 000 fois :

- surface des tenons à base de fibres de carbone, grandissement original × 60 à 75 (^{fig. 3}, ⁴ et ⁵) et × 1 000 (^{fig. 6}, ⁷, ⁸ et ⁹) ;

- interface tenons en fibres de carbone/système adhésif, grandissement original × 5 000 (^{fig. 10}, ¹¹ et ¹²) et × 20 000 (^{fig. 13}, ¹⁴ et ¹⁵).

Depuis une dizaine d'années, quelques auteurs ont utilisé la microscopie électronique à balayage pour étudier les matériaux composites à base de fibres de carbone dont on se sert en odontologie. Dès 1990, Malquarti et al. [²⁷] caractérisent le matériau et observent l'interface entre les fibres et la matrice époxyde. En 1996, Torbjörner et al. [¹⁵] ainsi que Love et Purton [²⁸] utilisent la microscopie pour étudier la surface des tenons et, plus particulièrement, celle du Composipost^® sur laquelle ils observent que des rétentions perpendiculaires à l'axe des fibres ont été réalisées pour augmenter l'adhésion avec des ciments à base de verre ionomère. Ils constatent que cet usinage entraîne des fractures des fibres dont des débris restent à la surface du tenon, débris retrouvés à la surface des trois tenons étudiés. Le tenon est en effet mis en forme par meulage à partir d'un jonc de 2 ou 2,5 mm. Ces particules de fibre et de résine créent un enduit irrégulier à la surface du tenon qui permet d'obtenir un état de surface propice à la rétention.

Torbjörner et al. [¹⁵] se sont intéressés à l'aspect du tenon Composipost^® en fonction de différentes conditions de conservation. Ils constatent, comme cela est visible sur les grandissements × 5 000 (^{fig. 10}), que des hiatus existent entre la fibre de carbone et la matrice époxyde. Cependant, ils ont observé des tenons Composipost^® sans agent opacifiant alors que nos observations ont porté sur des tenons Composipost^® radio-opaques (^{fig. 6}) et non radio-opaques (^{fig. 9}). Sur toutes les images du Composipost^® radio-opaque examinées, il faut noter la présence de sphères régulières d'un diamètre compris entre 25 et 40 μm. L'analyse chimique par rayons X couplée au microscope a confirmé la nature de ces particules : il s'agit de baryum utilisé comme agent opacifiant.

La présence de ces charges radio-opacifiantes de taille importante, très supérieure au diamètre des fibres, génère des décohésions au sein du matériau composite qui provoquent des ruptures des fibres et une diminution de l'homogénéité du matériau. Les cavités créées à la surface du tenon, lors de l'usinage, sont régulièrement supérieures à 100 ou 200 μm de largeur. Elles sont, de toute évidence, trop nombreuses et de taille trop importante. La dimension trop élevée des particules de baryum semble être à l'origine de cette altération de la surface du Composipost^®.

Les tenons Perfect^® (^{fig. 4} et ⁷) et Absolu^® (^{fig. 5} et ⁶) présentent une surface plus homogène avec cependant des fibres coupées, conséquence de l'usinage. La surface est plus irrégulière et la matrice résineuse est plus présente pour le tenon Perfect^® que pour le tenon Absolu^®. Ce dernier présente une densité de fibres de carbone plus importante que le premier.

Si l'interface entre composite et compomère a été largement étudiée, celle entre tenon radiculaire à base de fibres de carbone et composite ou compomère de scellement n'est à l'origine que de très peu d'études. Dietschi et al. [²⁹], en 1997, s'intéressent aux interfaces entre les différents matériaux d'une reconstitution corono-radiculaire et la dentine. Il note l'intérêt des microrétentions mécaniques de la matrice résineuse à la surface des tenons à fibres de carbone.

L'observation des interfaces a mis en évidence des rapports tenon/colle globalement satisfaisants. Aucun hiatus défavorable n'est observé (^{fig. 10}, ¹¹, ¹², ¹³, ¹⁴ et ¹⁵). Le principe de fabrication des tenons, c'est-à-dire une imprégnation des fibres de carbone par la résine, suivie d'une cuisson du composite, ne permet pas de penser qu'il puisse rester des sites chimiquement réactifs à la surface du tenon. L'origine de la rétention est essentiellement mécanique. S'il apparaît un très faible espace entre le Composipost^® et le C & B Cement^® (^{fig. 13}), on ne peut noter de hiatus, même à des grandissements × 20 000, entre le Perfect^® et le Panavia 21^®, d'une part, et le tenon Absolu^® et le Dyract Cem^®, d'autre part (^{fig. 14} et ¹⁵). Les différents systèmes adhésifs semblent bien s'insérer dans les irrégularités de surface du tenon.

Le principe de section de l'échantillon et de polissage ne permet pas de mettre en évidence d'éventuelles cavités. Celles-ci peuvent être comblées par les enduits générés lors de ces opérations.

Les lacunes observées au sein du compomère Dyract Cem^® (^{fig. 12} et ¹⁵) sont plutôt liées au système d'observation qu'à une réalité. Le vide dans la colonne du microscope, poussé jusqu'à 10 ^-7 millibars, peut provoquer ces défauts dans ce type de matériau à prise globalement plus lente que d'autres.

Cette étude a mis en évidence des différences importantes au niveau de la surface des trois tenons à base de fibres de carbone observés. La question peut se poser de l'utilité de la radio-opacité du tenon compte tenu des répercussions importantes sur la structure du matériau.

Les interfaces obtenues après le scellement ou le collage sont globalement de bonne qualité. Si nous pensons que d'éventuelles liaisons chimiques ne rentrent pas en compte pour la rétention du tenon, les irrégularités de surface de 5 à 15 μm sont un point capital dans cette micro-rétention. Les rapports entre la surface du tenon, particulièrement les anfractuosités de la matrice résineuse, et le composite ou le compomère de collage ne permettent pas de mettre en évidence une limite nette entre les deux matériaux. Cependant, des premiers tests d'adhérence de ces tenons à fibres dans des racines de dents humaines montrent des valeurs de résistance en cisaillement encore perfectibles. Il apparaît important de toujours associer des primers chémopolymérisants (All Bond II^®, Bisco) pour le C & B Cement^®, Primer A et B du Panavia^® et Prime Bond NT^® associé au Self-Cured^® (Dentsply - De Trey), pour augmenter l'adhésion au niveau de l'interface tenon-système adhésif. L'exploitation des microanfractuosités par un produit plus fluide comme le primer, qui réagit chimiquement avec le composite ou le compomère de collage, entraîne une augmentation significative des valeurs d'adhérence. À titre d'exemple, l'utilisation du Prime Bond NT^® rendu chémopolymérisable par l'utilisation du Self-Cured^® associé au Dyract Cem^® permet d'atteindre 8,54 MPa alors que cette valeur n'est que de 4,66 MPa lors de l'utilisation du compomère sans primer.

Conclusion

Les tenons à fibres sont utilisés en clinique depuis une dizaine d'années. Les résultats observés par plusieurs auteurs montrent l'intérêt indéniable de ce type de tenons. Cependant, il paraît difficile d'affirmer que leur comportement biomécanique soit du même type que celui de la dentine humaine [²³]. Si l'adhésion de ces ancrages aux parois dentinaires radiculaires, au moyen des systèmes adhésifs qui sont proposés, est acceptable, il est cependant logique d'espérer dans un proche avenir des améliorations sur ce point. Il serait possible alors disposer d'un système de reconstitution corono-radiculaire homogène, respectueux de son environnement radiculaire et présentant une bonne qualité d'adhésion tout en évitant les phénomènes de corrosion.

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