Propriétés nanomecaniques en gradient de l'émail fluorosé : implications pour le choix des matériaux de restauration

Résumé

Cette étude examine le comportement nanomecanique en gradient de l'émail affecté par la fluorose dentaire et établit des critères fondés sur des preuves pour la sélection des matériaux de restauration. Des tests de nanoindentation (charge 2000 μN, maintien 30 s) et de nanorayure (charge 1000 μN) ont été réalisés sur les couches externe, moyenne et interne d'émail normal, d'émail à fluorose légère et d'émail à fluorose sévère. La couche externe d'émail à fluorose légère a été comparée à quatre matériaux de restauration : céramique vitreuse au disilicate de lithium (IPS e.max CAD), réseau céramique infiltré de polymère (PICN), bloc de résine composite (Lava™ ultimate) et résine composite conventionnelle (Fltek™ Z350XT). Les résultats révèlent des tendances de gradient distinctes : l'émail à fluorose légère montrait une augmentation de la nanodureté et du module d'élasticité de la couche externe vers la moyenne, puis un déclin vers la couche interne ; l'émail à fluorose sévère affichait une augmentation monotone de la dureté et du module vers la couche interne, avec une diminution correspondante du déplacement de fluage. Les métriques nanotribologiques reflétaient ces tendances. La profondeur et la largeur de rayure de Lava™ ultimate correspondaient à la couche externe d'émail à fluorose légère, tandis que IPS e.max CAD présentait la profondeur/largeur de rayure la plus faible. Ces résultats soulignent que le profil mécanique de l'émail fluorosé diffère nettement de l'émail sain, nécessitant des matériaux de restauration avec une résistance à l'usure compatible pour éviter l'abrasion excessive soit de la restauration, soit de l'émail antagoniste. (Enregistrement d'essai : WCHSIRB-D-2014-126, enregistré le 25 décembre 2014).

Introduction

La fluorose dentaire survient lorsque l'apport excessif en fluor pendant le développement dentaire altère la minéralisation de l'émail. Dans les régions à haut fluor, la prévalence peut atteindre 80-90 %. Les taches crayeuses, opaques ou défauts structurels qui en résultent compromettent l'esthétique et la fonction, conduisant souvent à une détresse psychosociale. L'intervention de restauration est donc courante. Une restauration réussie dépend de l'adéquation des propriétés mécaniques et tribologiques du matériau de restauration à l'émail antagoniste pour prévenir l'usure accélérée de l'un ou l'autre substrat. Un désalignement peut causer une dégradation rapide de la restauration ou de la dent naturelle. Par conséquent, une compréhension approfondie des caractéristiques microstructurales, nanomecaniques et nanotribologiques de l'émail fluorosé est essentielle pour une sélection éclairée des matériaux.

La couche externe de l'émail protège la dentine et la pulpe et doit résister aux forces de mastication sur des millions de cycles. Ses propriétés mécaniques supérieures dissipent le stress et préviennent l'initiation des fissures. L'émail exhibe un gradient de la surface externe vers la jonction émail-dentine (JED), reflétant des changements progressifs de microstructure et composition. L'exposition chronique au fluor perturbe ce gradient, causant des altérations structurelles et des changements de propriétés mécaniques. Des études animales antérieures et une étude humaine récente sur fluorose légère n'ont pas abordé le gradient complet. Cette investigation comble cette lacune et évalue quatre matériaux de restauration contre la couche d'émail externe de dents fluorosées pour guider la prise de décision clinique.

Matériaux et méthodes

Au total, 30 prémolaires sans carie (10 normaux, 10 fluorose légère, 10 fluorose sévère) ont été extraits de donneurs de 19-25 ans résidant dans des zones à haut fluor. Le protocole a reçu l'approbation du Comité d'éthique de l'Hôpital West China. Les dents étaient stockées dans la solution saline équilibrée de Hank (HBSS, Solarbio, Beijing) à 4 °C pour préserver l'hydratation et testées dans la semaine suivant l'extraction.

Préparation des échantillons

Des sections de couronnes étaient produites avec un Struers Minitom et une meule diamantée (300 tr/min, irrigation eau). Chaque couronne était divisée en deux moitiés et incluse dans résine époxy (EpoFix, Struers). Une moitié subissait la nanoindentation ; l'autre était réservée aux tests de nanorayure. Pour les matériaux de restauration — IPS e.max CAD, PICN, Lava™ ultimate, Fltek™ Z350XT — cinq spécimens (4 mm × 4 mm × 2 mm) étaient polis séquentiellement du papier SiC #800 à #4000, puis avec solutions abrasives 3 µm et 0,04 µm (OP-S NonDry, Struers), et finalement nettoyés aux ultrasons. Les couches d'émail étaient définies comme : externe (≤100 µm de la surface occlusale), moyenne (mi-distance vers JED), et interne (≤100 µm de la JED).

Tests de nanoindentation

Les indentations étaient conduites avec un Triboindenter TI950 (Hysitron) utilisant une pointe diamant Berkovich (~150 nm rayon). Un microscope à sonde intégrée identifiait les régions cibles. Charge : 2000 μN, temps de maintien : 30 s, vitesse de charge/décharge : 400 μN/s. Cinquante indentations par couche d'émail assuraient la robustesse statistique, avec espacement inter-indentation >5 µm. Le module d'élasticité réduit et la nanodureté étaient extraits via la méthode Oliver-Pharr. Les déplacements de contact avant et après la période de maintien étaient enregistrés, et la différence (déplacement modifié) quantifiait le comportement de fluage.

Tests de nanorayure

Les expériences de nanorayure employaient le Triboindenter TI950 avec une pointe diamant conique (~1 µm rayon). Les rayures étaient appliquées sous 1000 μN à 0,5 µm/s sur 10 µm. Cinquante rayures par couche d'émail et matériau étaient exécutées, espacées >5 µm. Le système enregistrait le coefficient de frottement, la profondeur et la largeur de rayure.

Analyse statistique

Les données étaient analysées avec SPSS 18.0. ANOVA à un facteur et tests t de Student évaluaient les différences entre groupes ; p < 0,05 indiquait la significativité.

Observation MEB

Un MEB à canon à émission de champ (INSPECT F, République tchèque) examinait les microstructures de toutes les couches d'émail.

Résultats et discussion

Microstructure et comportement nanomecanique en gradient de l'émail à fluorose dentaire

La figure 2 montre les micrographies MEB des trois couches d'émail pour chaque type de dent. Les prismes d'émail normaux étaient uniformes et dressés dans les couches externe et moyenne, tandis que la couche interne exhibait un motif ondulé. L'émail à fluorose légère montrait quelques pores dans la couche externe ; les couches moyenne et interne restaient comparables à l'émail normal. Les prismes externes de l'émail à fluorose sévère avaient des interstices inter-prismatiques élargis et de nombreux pores, avec des cristaux faiblement arrangés et une microporosité accrue. La couche interne de la fluorose sévère ressemblait à l'émail normal. Ces différences morphologiques découlent de (1) l'excès de fluor perturbant la rétention des protéines de la matrice d'émail et causant l'hypominéralisation des prismes et (2) la substitution chimique de l'hydroxyle par le fluor dans l'hydroxyapatite, formant la fluorapatite.

Dans l'émail normal, la nanodureté et le module d'élasticité diminuaient de la couche externe vers l'interne, tandis que le déplacement de fluage augmentait. Ce gradient reflète la transition des prismes densément compacts vers l'émail inter-prismatique riche en protéines et l'atténuation mécanique associée. Dans l'émail à fluorose légère, la dureté et le module augmentaient de l'externe vers la moyenne, puis déclinaient vers l'interne. La couche externe exhibait un déplacement de fluage significativement plus élevé (7,70 ± 2,71 nm) que l'émail normal (p < 0,05). Dans l'émail à fluorose sévère, dureté et module augmentaient régulièrement de l'externe vers l'interne, la couche interne atteignant les valeurs les plus élevées (nanodureté 2,04 ± 0,89 GPa ; module 46,63 ± 11,19 GPa). Le déplacement de fluage diminuait de l'externe vers l'interne, la couche externe montrant le plus grand déplacement (11,50 ± 3,77 nm). Ces tendances distinctes soulignent la capacité de support de charge altérée de l'émail fluorosé.

Les coefficients de frottement augmentaient de l'externe vers l'interne dans l'émail normal. Dans la fluorose légère, le coefficient diminuait de l'externe vers la moyenne, puis augmentait vers l'interne. L'émail à fluorose sévère affichait un frottement plus élevé aux couches externe (0,25 ± 0,044) et moyenne (0,18 ± 0,025) comparé à la fluorose légère et l'émail normal (p < 0,05). Cependant, le coefficient diminuait de l'externe vers l'interne dans la fluorose sévère (p < 0,05).

La profondeur et la largeur de rayure augmentaient de l'externe vers l'interne dans l'émail normal. L'émail à fluorose légère montrait un creux à la couche moyenne avant de remonter vers l'interne. L'émail à fluorose sévère exhibait une diminution monotone de l'externe vers l'interne. Par conséquent, la couche externe de l'émail à fluorose sévère avait la plus grande profondeur et largeur de rayure, indiquant une résistance à l'usure réduite. Ces observations s'alignent avec des études antérieures liant l'exposition au fluor à une résistance à l'usure de l'émail compromise.

Comprendre ces propriétés de gradient est crucial pour sélectionner des matériaux de restauration qui correspondent au comportement d'usure de l'émail fluorosé. Les céramiques offrent haute biocompatibilité et esthétique mais peuvent sur-user l'émail antagoniste. Des alternatives comme PICN et blocs de résine composite ont été développées pour fournir une résistance à l'usure plus faible. Les métriques de rayure de PICN s'alignent avec la couche externe de l'émail normal, le rendant approprié quand les dents antagonistes sont saines. Cependant, quand la dent antagoniste est fluorosée — particulièrement fluorose légère — le matériau de restauration devrait imiter le profil tribologique de cet émail. Lava™ ultimate (bloc de résine composite) a exhibé une profondeur et largeur de rayure comparables à la couche externe de l'émail à fluorose légère, suggérant sa convenance pour les restaurations fluorosées. La résine composite conventionnelle (Z350) montrait des métriques de rayure plus élevées, pouvant mener à une usure accélérée. Par conséquent, la compatibilité mécanique des matériaux de restauration avec l'émail fluorosé est essentielle pour des résultats durables.

Propriétés nanomecaniques des prismes d'émail normaux et anormaux de la fluorose dentaire

L'analyse de l'émail à fluorose sévère a révélé deux types de prismes distincts dans les couches externe et moyenne : prismes normaux avec cristaux faiblement arrangés et micropores abondants, et prismes anormaux densément compacts avec pores. Les prismes normaux affichaient une dureté et un module plus faibles mais un fluage plus élevé que les prismes anormaux. Ces variations micro-niveau corrèlent avec la sévérité de la fluorose et soulignent le besoin de matériaux de restauration accommodant telle hétérogénéité.

Matériaux dentaires appropriés pour la restauration clinique de la fluorose dentaire

L'analyse comparative de rayure montre que IPS e.max CAD avait la profondeur/largeur de rayure la plus faible, PICN correspondait à l'émail normal, Lava™ ultimate s'alignait avec l'émail à fluorose légère, et Fltek™ Z350XT avait les métriques les plus élevées. La couche externe de l'émail à fluorose sévère avait la plus grande profondeur/largeur de rayure. Ces données confirment que le profil tribologique d'un matériau de restauration devrait miroir celui de l'émail fluorosé antagoniste pour prévenir l'usure accélérée.

Implications cliniques : les dents antérieures affectées par la fluorose nécessitent souvent une restauration esthétique, tandis que les dents postérieures peuvent requérir des couronnes ou onlays. Les restaurations céramiques, bien qu'esthétiques, peuvent sur-user l'émail antagoniste ; PICN offre un profil d'usure plus équilibré pour l'émail antagoniste normal. Pour la fluorose légère, Lava™ ultimate fournit une résistance à l'usure comparable à l'émail, réduisant le risque d'usure de la restauration. En fluorose sévère, l'usure accrue de l'émail externe nécessite un choix de matériau prudent, favorisant potentiellement les composites à faible usure ou stratégies alternatives.

Conclusion

Résultats clés :

1. La microstructure et le comportement nanomecanique en gradient de l'émail fluorosé diffèrent nettement de l'émail sain, surtout dans la couche externe de la fluorose légère et les couches externe/moyenne de la fluorose sévère.
2. Les prismes d'émail normaux et anormaux coexistent dans l'émail fluorosé ; les prismes anormaux exhibent une dureté plus faible, un module plus bas et un fluage plus élevé.
3. Le bloc de résine composite (Lava™ ultimate) correspond à la résistance à l'usure de l'émail à fluorose légère et est donc préférable aux céramiques à haut usure pour la restauration de la fluorose.

Abréviations

JED:

Jonction émail-dentine

IPS:

IPS e.max CAD

LVU:

Lava™ ultimate

MFE:

Émail à fluorose dentaire légère

NTE:

Émail dentaire normal

PICN:

Réseau céramique infiltré de polymère

MEB:

Microscopie électronique à balayage

SFE:

Émail à fluorose dentaire sévère

SPM:

Microscope à sonde balayante

Z350:

Fltek™ Z350XT