68069116 biomateriaux-dentaires

Cours Biomatériaux 2006 / Biomatériaux dentaires / J.-M. Meyer / 15.12.2006

Plan du coursPlan du cours
BiomatBiomatéériaux dentairesriaux dentaires
Etude de quelques casEtude de quelques cas
Le milieu buccal
Les conditions spécifiques d’utilisation
Les grands groupes de biomatériaux dentaires
Quelques aspects de la technologie dentaire
Les résines composites
Les ponts en céramique
Les systèmes CAD / CAM

BiomatBiomatéériaux dentairesriaux dentaires

Le milieu buccalLe milieu buccal
Milieu
humide
Composition
fluctuante
Contraintes
mécaniques
Contact
avec O2

Tissus dentairesTissus dentaires
Dentine
Pulpe
Cément
Email
EmailEmail Le plus minéralisé et le plus dur de tout le corps humain. Recouvre la partie de la dent
exposée à l’environnement buccal, et la protège contre les contraintes mécaniques et
les agressions chimiques. Constitué de longs prismes d’hydroxyapatite
DentineDentine Constitue avec la pulpe la plus grande partie de
la dent; recouverte dans sa partie coronaire par
l’émail. En contact avec la pulpe, elle est formée
notamment d’odontoblastes, cellules
spécialisées se prolongeant depuis la pulpe
dans les tubuli dentinaires. Peu minéralisée (51
% vol.), partie organique est formée surtout de
collagène (26 % vol.). Contient ~23 % vol. H2O.
CCéémentment
Tissu minéralisé recouvrant la racine. Tissu
conjonctif spécialisé, le moins dur des trois
tissus dentaires durs. S’il est mis à nu au
niveau des collets, il s’usera rapidement.
PulpePulpe Tissu mou fortement vascularisé et inervé, au
centre de la dent, à partir duquel se fait la
dentinogénèse. Le plus sensible des tissus
dentaires; il peut se nécroser.

Tissus dentaires dursTissus dentaires durs
2.97
2.23
353
384
84.1
343
EmailEmail
2.14
1.36
167
297
18.3
68
DentineDentine
2.03
40
CCéémentment
Propriétés caractéristiques
D’après
J.M. Powers,
1978
Densité (g/cm3)
Conductibilité thermique
(mcal / s . cm2 .(°C / cm))
Limite proportionnelle
(MPa)
Limite de rupture (MPa)
Module d’élasticité (GPa)
Dureté Knoop (kg / mm2)

Les conditions spLes conditions spéécifiques dcifiques d’’utilisationutilisation
Obturation en amalgame
--> travail directdirect au fauteuil
par le mméédecin-dentistedecin-dentiste
Couronne céramo-métallique
--> travail extemporanextemporanéé au
laboratoire par le technicientechnicien

Atteinte carieuse lAtteinte carieuse lééggèèrere
Atteinte carieuse importanteAtteinte carieuse importante
EdentationEdentation postpostéérieure unilatrieure unilatééralerale
OBTURATIONOBTURATION
COURONNE CERAMO-COURONNE CERAMO-
METALLIQUEMETALLIQUE
PONT DE 4 ELEMENTSPONT DE 4 ELEMENTS
Deux solutions possibles:
A) PROTHESE PARTIELLE ADJOINTEPROTHESE PARTIELLE ADJOINTE
B) IMPLANTS ET SUPRA-STRUCTUREIMPLANTS ET SUPRA-STRUCTURE
EdentationEdentation intercalintercaléée (perte de deux dents)e (perte de deux dents)

MMééthodes de transformationthodes de transformation
Travail au fauteuil
Deux composantsDeux composants àà mméélangerlanger
Poudre + liquide: p.ex. cimentsciments, amalgameamalgame, alginatealginate
Deux pâtes: p.ex. mat. dmat. d’’empreinteempreinte, rréésinessines
compositescomposites (obsolète)
Un seul composantUn seul composant àà activer (lumiactiver (lumièère ou chaleur)re ou chaleur)
Une pâte (lumière): p.ex. rréésine compositesine composite, compomcompomèèrere
Un solide (chaleur): p.ex. cirecire, composition thermoplastiquecomposition thermoplastique,
hydrocollohydrocolloïïdede rrééversibleversible

MMééthodes de transformationthodes de transformation
Travail au laboratoire dentaire
Deux composantsDeux composants àà mméélangerlanger
Un composant uniqueUn composant unique
Poudre + liquide: p.ex. plplââtretre, rréésine synthsine synthéétique pourtique pour
prothprothèèsese, revrevêêtementstements
Poudre + liquide + chaleur: porcelaineporcelaine
Deux liquides: p.ex. rréésinesine éépoxypoxy
Chaleur: p.ex. alliagesalliages àà coulercouler, cirecire
Mécanique: p.ex. blocs cblocs cééramiqueramique

Techniques spTechniques spéécifiquescifiques
Pour le médecin-dentiste
MMéélangeur mlangeur méécaniquecanique
Instrument de base du cabinet pour le mélange mécanique des
composants des produits livrés en capsules prédosées (amalgame,
ciments au verre ionomère, etc)
LampeLampe àà polympolyméériserriser
Lampe délivrant un intense flux lumineux bleu, de durée
programmable, et utilisé pour la polymérisation quasi instantannée
de produits d’obturations comme les résines composites, les
compomères, certains ciments, etc.
SystSystèème CAD/CAMme CAD/CAM
Système développé spécifiquement pour réaliser au cabinet dentaire,
par le médecin-dentiste, des inlays et même des couronnes unitaires
en céramique. Permet de renoncer à la prise d’empreinte classique
au profit d’une “empreinte” par deux micro-caméras vidéo. Un
programme pilote le fraisage dans un bloc de céramique.

Techniques spTechniques spéécifiquescifiques
Pour le technicien
Fonte au chalumeauFonte au chalumeau
Technique habituelle pour la fonte des alliages à couler. La coulée
se fait alors par une fronde horizontale (force centrifuge). Suivant le
type d’alliage, on modifie la composition du mélange gazeux pour
augmenter la température de la torche.
Four sous videFour sous vide
Four programmable développé spécialement pour la cuisson des
céramiques dentaires. Le vide permet d’éliminer les bulles d’air dans
la céramique, augmentant ainsi la translucidité de la porcelaine
dentaire
FourFour àà polympolyméériserriser
Petit four combinant une irradiation lumineuse intense et un
chauffage modéré, pour améliorer le taux de conversion des résines
synthétiques, en particulier des résines composites utilisées pour
la réalisation d’inlays et onlays

PropriPropriééttéés significativess significatives
MouillabilitMouillabilitéé Important pour toutes les questions d’interfaces entre un matériau
et un tissu dur ou mou (empreintes, obturations, scellements,
collages, etc.)
AdhAdhéésionsion Déterminant pour tous les problèmes d’obturation et de collages.
Particulièrement difficile à maîtriser dans un milieu humide et peu
calcifié comme la dentine
ElasticitElasticitéé Caractéristique indispensable pour tous les produits d’empreinte
(notamment lorsqu’on retire l’empreinte en passant par-dessus le
bombé des dents). Indispensable aussi pour les crochets dans les
châssis de prothèse partielle adjointe
FluageFluage Caractéristique qu’il convient de minimiser dans les matériaux à
comportement visco-élastique comme les produits d’empreinte et
l’amalgame dentaire

PropriPropriééttéés significativess significatives
FlexibilitFlexibilitéé Déterminant pour les adhésifs dentaires et pour certaines
applications métalliques (fils d’orthodontie)
RigiditRigiditéé Caractère déterminant pour certaines parties du châssis de
prothèse partielle adjointe (barre linguale) et pour les porte-
empreintes individuels en résine acrylique
TTéénacitnacitéé Propriété déterminante pour toutes les réalisations entièrement
en céramique

DurDuréées de vie caractes de vie caractééristiquesristiques
+/- 8 ans+/- 8 ans Résines composites, classes I & II, Ciments au verre ionomère
+/- 10 ans+/- 10 ans Résines composites, cl. III, IV, V, Inlays et onlays en porcelaine
+/- 13 ans+/- 13 ans Couronne Jacket en porcelaine
+/- 14 ans+/- 14 ans Amalgame d’argent
+/- 15 ans+/- 15 ans Couronnes en porcelaine alumineuse
+/- 20 ans+/- 20 ans Couronne céramo-métallique, Restaurations coulées en or
(inlays, onlays, couronnes)
+/- 24 ans+/- 24 ans Aurifications (or compacté dans la cavité)
D’après Gordon J. Christensen, 1989

Classes de cavitClasses de cavitééss
Classe I
Classe II
Classe III Classe IV
Classe V

Les grands groupes de biomatLes grands groupes de biomatéériaux dentairesriaux dentaires
Classification sommaireClassification sommaire
MMéétauxtaux
CCééramiquesramiques
PolymPolymèèresres
Amalgames d’argent
Porcelaine Inlays, onlays
Sur métal
Tout céramique
Ciment au verre ionomère
Résines composites Classes I, II
Acrylique - Elastomères
Résines composites Cl. III,IV
Alliages nobles
Alliages nickel-chrome
Alliages cobalt-chrome Or compacté

Les grands groupes de biomatLes grands groupes de biomatéériaux dentairesriaux dentaires
MMéétauxtaux
CCééramiquesramiques
PolymPolymèèresres

Quelques aspects de la technologie dentaireQuelques aspects de la technologie dentaire
Fours programmablesFours programmables
Utilisés pour la cuisson des moules en revêtement. La
maquette en ciremaquette en cire est fondue et éliminée, et le
rrééfractairefractaire du revêtement subit une expansion
thermique permettant de compenser le retrait de
refroidissement de la pièce métallique coulée
Fusion au chalumeauFusion au chalumeau
Méthode traditionnelle pour la fusion des alliages à
base d’or. Des machine de fusion par inductionfusion par induction et
coulcouléée centrifugee centrifuge sont utilisées pour alliages non-
précieux
Fours sous vide pour la cFours sous vide pour la cééramiqueramique
Fours programmables pour les différentes cuissons
des céramiques dentaires (stratification et frittage des
céramiques opaqueopaque et dentinedentine). Le vide améliore la
translucidité des céramiques

Soudage au laserSoudage au laser
Technique développée principalement pour le
soudage des pièces en titane, mais aussi utilisée
pour les alliages Co-Cr et les fils d’acier en
orthodontie
CoulCouléée du titanee du titane
La coulée du titane nécessite de travailler à l’abri de
l’oxygène. Des machines de coulée spéciales ont
été développées, comme celle-ci pourvue de deux
chambres (fusion par arc électrique en haut, et
coulée en bas), travaillant selon un cycle complexe
de vide et de protection d’argon, selon des
pressions variables en fonction de l’avancement du
processus de fusion et de coulée

SystSystèème CAD/CAMme CAD/CAM
Les développements les plus récents, comprennent
un systsystèème de mesure du modme de mesure du modèèlele (palpage
mécanique, ou vidéo, ou laser, à dr sur la photo),
un programme de dessin et de calculprogramme de dessin et de calcul, et un
programme de commande d’une machinemachine
dd’’usinageusinage àà commande numcommande numéériquerique (à gauche).
Utilisé pour usiner des matériaux difficiles à traiter
autrement (titane, alumine, zircone)
ElectroElectro--éérosionrosion
Méthode pour perçages ou rainurages dans des
pièces métalliques coulées, dans les cas difficiles
de prothèses mixtes (fixes et amovibles). L’électro-
érosion a aussi été préconisée pour l’usinage de
couronnes.

Etude de quelques casEtude de quelques cas
Les rLes réésines compositessines composites
Les ponts en cLes ponts en cééramiqueramique
Les systLes systèèmes CAD / CAMmes CAD / CAM

Classification des rClassification des réésines composites dentairessines composites dentaires
pour les obturationspour les obturations
pour les prothpour les prothèèsesses
provisoiresprovisoires
pour les prothpour les prothèèsesses
renforcrenforcéées par deses par des
fibresfibres
pâtes formées d’une matrice de résine et chargées
de particules minérales. Polymérisation à la lumière
Problèmes: obtention d’une adhésion aux parois
de la cavité, contraction de polymérisation
pâtes d’une composition proche de celle des
composites d’obturation, destinées à réaliser des
prothèses provisoires pendant la durée d’un
traitement en vue d’une prothèse définitive
systèmes de renforcement des résines composites
pour réaliser des provisoires de longue durée, sous
forme de couronnes unitaires ou de ponts.
Les fibres augmentent fortement la résistance à la
fracture et à la fatigue des provisoires

Chimie des compositesChimie des composites
BIS-GMA Résine principale de la matrice
Brevet R.L. Bowen, 1962
TEGDMA Diluant du BIS-GMA

Agent de couplageAgent de couplage
Groupe propyl
= allongement
Groupe méthacryloxy
= liaison avec la résine
Silicium
Par exemple:
le mmééthacryloxypropylthacryloxypropyl--
trimtrimééthoxysilanethoxysilane
Groupe triméthoxysilane
= liaison avec la
céramique

Composition de la résine
0
20
40
60
80
100
120
A
daptic
A
daptic
B
ond
SilarEstic
B
ase
Estic
C
atal.
Estilux
Isopast
% en poids
UDMA
TEGDMA
BIS-DMA
iso BIS-GMA
BIS-GMA

Particules de renforcementParticules de renforcement
Formes et
dimensions:
Distribution
unimodale
Distribution
multimodale
BillesEclats
Composition:
- Quartz
- Verres
- Céramiques
- Silice pyrogène
(microcharges)
- Particules de
résine chargées

Ultrafines = < 3 µm
Particules de renforcementParticules de renforcement
Traditionnelles = > 10 µm
Traditionnelles = > 10 µmFines = > 3 µm

Point de gel
polymèremonomère
E faible E augmente
La contraction engendre des contraintes
Flow
ContractionContraction
R´*
RR

Charge (%w) Contr (%) E (GPa)
TetricTetric FlowFlow 64% 4.3 4.3
TetricTetric CeramCeram 76% 2.8 6.9
ContractionContraction
Le rôle de la teneur en charges minérales...
Augmenter le % Diminuer la contraction
Augmenter la viscosité
Augmenter la rigidité
Limites

Les rLes réésines compositessines composites ContractionContraction
En modifiant la composition (p.ex. en supprimant le TEGDMA) on
peut aussi diminuer la contraction de prise, et par conséquent la
contrainte que cette contraction exerce sur l’obturation
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Shrinkage (vol%)
Shrinkagestress(MPa)
Filtek Z100
Grandio Clearfil APX
Filtek A110
Prodigy Condensable
Ice; Charisma
Spectrum TPH
Herculite XR
Aelite Flo
Flow-itFiltek Supreme
Premise Dentin
Filtek Z250
QuiXfil
Ceram.X Mono
Tetric Ceram
Point 4
Micro Hybrid Composite
Heliomolar Flow
Tetric Flow
Revolution Formula 2
UltraSeal XT Plus
ELS
Tetric Evo Ceram
Heliomolar
In Ten-S
Gradia Direct
ELS flow
Correlation line for Shrinkage and Shrinkage Stress (30 min values)
Glacier
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Shrinkage (vol%)
Shrinkagestress(MPa)
Filtek Z100
Grandio Clearfil APX
Filtek A110
Prodigy Condensable
Ice; Charisma
Spectrum TPH
Herculite XR
Aelite Flo
Flow-itFiltek Supreme
Premise Dentin
Filtek Z250
QuiXfil
Ceram.X Mono
Tetric Ceram
Point 4
Micro Hybrid Composite
Heliomolar Flow
Tetric Flow
Revolution Formula 2
UltraSeal XT Plus
ELS
Tetric Evo Ceram
Heliomolar
In Ten-S
Gradia Direct
ELS flow
Correlation line for Shrinkage and Shrinkage Stress (30 min values)
Glacier
Contraction de prise (vol%)
Contraintedecontraction(Mpa)
D’après De Gee,
Kleverlaan et
Degrange,
Information Dentaire,
oct. 2006

ObturationsObturations
Antérieures
Postérieures
"Microfine" = 0.04 µm
"Splintered prepolymerized
fillers" = 22 µm
Inorg. fraction
= 37.5 % vol.
"Ultrafine" = < 3 µm
"Compact-filled" = > 60 % vol.

ObturationsObturations
Initiation de la polymérisation par la lumière
lampe à DEL bleues
aurys
lampe au xénon
lampe halogène

ProthProthèèses provisoiresses provisoires
La situation
initiale
Mise en place du
matériau
Provisoire
terminé

RRéésines composites renforcsines composites renforcéées par des fibreses par des fibres
UHMWPE Ribbond, DVA Fibers,
Connect, Fibre-Bind
aucune
Verre Glasspan, Fiber Splint aucune
Vectris, FibreKor,
Spint-It
monomère
Systèmes disponibles en 1998
Types de fibres Produits Préimprégnation
Fibrespan monomère
Aramide Kevlar aucune
Stick, Stick Net polymère

Fibres de verre silanisées
et préimprégnées d’une
résine acrylique poreuse
Eléments de renforcement
Stick net et Stick
Pekka K. Vallittu, J Prosth Dent 81(3),318,1999

RRéésines composites renforcsines composites renforcéées par des fibreses par des fibresCasclinique

Mouillage de la fibre
D’après des document de
Stick Tech, Finlande, 2001
Pont de type
« Maryland » terminé,
prêt pour le scellement

QuQu’’est-ce quest-ce qu’’un pont ?un pont ?
La solution la plus classiqueLa solution la plus classique
Le pontLe pont ccééramoramo-m-méétalliquetallique:
armature métallique sur laquelle
est cuite une céramique, copiant
l’aspect des dents naturelles
PontPont: prothèse fixée ( = conjointe )
destinée à remplacer une ou
plusieurs dents manquantes, les
dents de remplacement
(intermédiaires) prenant appui sur
les dents restantes voisines (piliers)
L’armature métallique assure
rigiditrigiditéé et rréésistancesistance
piliers intermédiaire

DDééfauts des pontsfauts des ponts ccééramoramo-m-méétalliquestalliques
LL’’armature marmature méétallique nuittallique nuit àà lala
translucidittransluciditéé: la lumière ne peut
pas diffuser à travers le métal, qui
peut laisser une zone d’ombre
LL’’armature marmature méétallique nuittallique nuit àà lala
teinteteinte: il est extrêmement difficile
d’éviter une coloration parasite
(grisaillement)
Remplacer l’armature
mméétalliquetallique par une armature
en ccééramiqueramique
SolutionSolution
La céramique est par nature
fragile et ne possède pas la
ttéénacitnacitéé d’un alliage:
KKIcIc mméétaux ~ 100 MN/mtaux ~ 100 MN/m3/23/2
KKIcIc ccééramiques ~ 10 MN/mramiques ~ 10 MN/m3/23/2
ProblProblèèmeme
céramo-métall. céramique

Le cas de la zirconeLe cas de la zircone
PrPréésentation de quelques documents commerciauxsentation de quelques documents commerciaux
A propos du système LAVA de la maison ESPE, Allemagne
Propriétés
physiques
Couleur: blanche
Apparence: solide
Point de fusion: 2677 °C; 2710°C
Densité: 5.68 g/cm3
Le zirconium dans le
tableau périodique
Structure cristalline
de la ZIRCONE ZrO2
Prothèse de genou en
zircone (St Gobain)

10 m2 m10 m
infiltrierte Keramik
(glashaltig), z.B.
InCeram
polykristalline Keramik
(glasfrei), z.B.
ESPE ZrO2, Procera Al2O3
= 500 - 1500 MPa
KIC = 5 - 10 MPa m1/2
B 500 MPa
KIC < 5 MPa m1/2
B 400 MPa
KIC = 2 - 3 MPa m1/2
Glaskeramik
(glashaltig), z.B.
Empress I/II
vollkeramische Dentalwerkstoffevollkeramische Dentalwerkstoffe

a
5 m
mechanische Eigenschaftenmechanische Eigenschaften

0
200
400
600
800
1000
Festigkeit[MPa]
ZrO2(ESPE) ProCera** InCerAl InCerZr Empr. I Empr. II
*ESPE
** Wagner et.al J. Prost. Dent. 76 [2] 1996
polykristalline Keramik infiltrierte Keramik Glaskeramik
• ISO 6872*

20 mm
3,6 mm
4,2 mm
Mittelwert (statisch): Fm = 1816 N
(zykliert) Fm = 1470 N
(50 N, 1,2 Mio Zyklen,
15000 Zyklen 5°/55°)
0
500
1000
1500
2000
2500
Bruchlast[N]
1 2 3 4 5 6 7 8
Brückennummer

Material initial
[MPa]
5 Jahre
[MPa]
ZrO2 (ESPE) 1345 615*
Empress II 289 82
Cerec
(Mark II)
88 32
InCerAl 666 125
Fischer/Marx, Aachen
*ESPE
LangzeitstabilitLangzeitstabilitäätt

PassgenauigkeitPassgenauigkeit
37 mesial35 distal
35 buccal 37 buccal

Les systLes systèèmes CFAO (CAD / CAM)mes CFAO (CAD / CAM)

Les systLes systèèmes CFAO (CAD / CAM)mes CFAO (CAD / CAM)
Les éléments d’un système CFAO
CFAO = Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur
CAD / CAM = Computer Assisted Design / Computer Assisted Manufacturing
ScannerScanner Système de reconnaissance
de forme, optique ou par
contact mécanique
UnitUnitéé dede
fabricationfabrication àà
commandecommande
numnuméériquerique
Machine à commande
numérique, souvent multi-
axes, capable d’usiner les
formes complexes provenant
de formes scannées
UnitUnitéé dede
dessin et dedessin et de
calculcalcul
Système informatique captant
les données du scanner, et
produisant les commandes
pour la fraiseuse

Essai de classification des systèmes
Fraisage par copieFraisage par copie CELAYCELAY
SystSystèème utilisable par leme utilisable par le
dentistedentiste
CEREC 3CEREC 3
SystSystèèmes complets pourmes complets pour
mméétaux et ctaux et cééramiquesramiques
DCSDCS
DIGIDENTDIGIDENT
SystSystèèmes spmes spéécifiquescifiques
pour la zirconepour la zircone
CERCONCERCON
EVERESTEVEREST
LAVALAVA
SystSystèèmes travaillantmes travaillant àà
distancedistance
CICEROCICERO
ETKONETKON
PROCERAPROCERA

FraisageFraisage
par copiepar copie
Modèle à copier
en résine
Tâteur manuel
Bras de transmission
Turbine
Bloc taillé

Fraisage par copieFraisage par copie
In-Ceram Alumina
In-Ceram Zirconia

SystSystèème utilisable par le dentisteme utilisable par le dentiste
Groupe
d’usinage à
deux outils
Unité de
dessin et
de calcul
Caméra
pour prise
d’empreinte
optique
Système pour le laboratoire

Les blocs de céramique utilisés
avec le système CerecCerec permettent
de réaliser divers types de
restaurations
VitablocsVitablocs
MkMk IIII
VitablocsVitablocs
MkMk IIII
standard *)
VitablocsVitablocs
AluminaAlumina
In-Ceram **)
VitablocsVitablocs
SpinellSpinell
VitablocsVitablocs
SpinellSpinell
In-Ceram plus
translucide
VitablocsVitablocs
ZirconiaZirconia
VitablocsVitablocs
ZirconiaZirconia
In-Ceram plus
résistant
**) In-Ceram = système par infiltration
*) standard = céramique monochrome

SystSystèèmes complets pour mmes complets pour méétaux et ctaux et cééramiquesramiques
www.girrbach.de
scanscan
cadcad
camcam
camcamscanscan
cadcad
titane céramique

SystSystèèmes spmes spéécifiques pour la zirconecifiques pour la zircone
www.degussa-dental.de

SystSystèèmes travaillantmes travaillant àà distancedistance
scanscan
fabricationfabrication
frittagefrittage

Scanner et programme CAO pour le
laboratoire, et fabrication par un centre
de production distant
Progrès des techniques de prototypage
rapide pour la fabrication d’objets à
partir de poudres métalliques
Scanner et programme Pro 50 de Cynovad
Tendances observées à IDS 2005:

FonctionFonction
CONCLUSIONCONCLUSION
TechnologieTechnologie
EsthEsthéétiquetique

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