Microdureté et composition chimique de la dent humaine
Maria del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II ; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
La dureté de la dent humaine, tant au niveau de l’émail que de la dentine, a été mesurée à différents endroits en utilisant un diamant de Vicker. Dans ce travail, nous montrons que ces valeurs sont presque constantes sur toute l’épaisseur de l’émail et de la dentine. Les indentations ont été réalisées de la surface externe de l’émail à la couche interne de la dentine, en passant par la jonction émail-dentine, à la fois sur des échantillons transversaux et longitudinaux. L’uniformité de la forme géométrique des indentations a été vérifiée au microscope électronique à balayage et au microscope optique, et la composition chimique de la dent a été analysée par spectroscopie dispersive d’énergie aux rayons X. Les mesures de dureté se situaient dans une fourchette allant de 0 à 100 %. Les mesures de dureté étaient comprises entre 270 et 360 VHN pour l’émail et entre 50 et 60 VHN pour la dentine. La zone cervicale dans la section longitudinale a montré la valeur la plus basse tandis que dans les sections transversales la plus élevée. Toutes les valeurs de dureté étaient statiquement significatives. Les résultats de la Tour indiquent que la différence entre la dureté de l’émail et de la dentine n’a rien à voir avec la teneur en Na, Cl et Mg, mais avec le pourcentage de matériaux organiques et inorganiques dans l’émail et la dentine.
Mots-clés : microdureté, composition chimique, dent humaine, émail, dentine
1. Introduction
L’émail des dents est le tissu le plus minéralisé du corps humain. Sa composition est de 96 % en poids de matière inorganique et de 4 % en poids de matière organique et d’eau. Dans la dentine, la matière inorganique représente 70 % en poids. Ce matériau inorganique est principalement composé d’un phosphate de calcium apparenté à l’hydroxyapatite hexagonale, dont la formule chimique est Ca10(PO4)6-2(OH) 1. L’analyse de l’émail et de la dentine par spectroscopie dispersive en énergie aux rayons X (EDS) a également indiqué la présence en petites quantités d’autres éléments tels que Na, Cl et Mg 2.
Les dents humaines sont exposées à une pression différente de point à point pendant la mastication. Par conséquent, l’étude et l’analyse de leur dureté sont très importantes pour comprendre comment les contraintes masticatoires sont distribuées à travers la dent, et pour prédire comment les contraintes et les déformations sont modifiées par les procédures de restauration dentaire, l’âge et la maladie. De plus, les valeurs de dureté peuvent être liées à d’autres propriétés mécaniques, telles que le module d’Young et la limite d’élasticité3,4. La mesure de la dureté dans la dent n’est cependant pas facile. En raison des structures que présentent l’émail2 et la dentine, des prismes allant de la jonction émail-dentine (EDJ) à la surface dans le cas de l’émail et un matériau composite hétérogène dans le cas de la dentine5-7, il est facile d’imaginer que leurs valeurs de dureté sont différentes, même d’un site à l’autre à l’intérieur même de l’émail et de la dentine ; et qu’elles seraient chimiquement dépendantes.
Les tests de dureté, ainsi que les modèles intra-oraux, ont une grande importance dans les expériences de dé- et de re-minéralisation8. La dureté de la dent humaine a été déterminée par une variété de méthodes, y compris les techniques d’abrasion9, de rayure10 et d’indentation3,4,11-14. Des variations locales considérables ayant été signalées dans l’émail et la dentine, les méthodes utilisant une micro-rayure ou une micro-indentation ont été préférées, et le pénétrateur diamanté Knoop est couramment utilisé4,8,13,14. Récemment, la nano-indentation utilisant la microscopie à force atomique a été rapportée dans les mesures de dureté de la dentine3.
Les duretés Knoop (KHN) et Vicker (VHN) ont rapporté approximativement la même valeur15. La valeur moyenne de la dureté de l’émail et de la dentine se situe respectivement entre 270 et 350 KHN (ou entre 250 et 360 VHN) et entre 50 et 70 KHN4. Cependant, les écarts types (ET) de ces valeurs montrent des variations importantes et significatives, bien que dans la dentine ces variations soient moins prononcées. Ainsi, par exemple, Craig et Peyton13 ont rapporté pour l’émail une dureté comprise entre 344 ± 49 et 418 ± 60 VHN ; Collys et al.14 de 369 ± 25 à 431 ± 35 ; Wilson et Love16 de 263 ± 26 à 327 ± 40. La micro-dureté de l’émail occlusal variait de 359 à 424 VHN, et celle de l’émail cervical de 227 à 342 VHN14. Ces variations peuvent être produites par des facteurs tels que les caractéristiques histologiques, la composition chimique, la préparation de l’échantillon, et la charge et l’erreur de lecture de la longueur d’indentation (IL).
Dans l’émail humain sain, il a été rapporté que les valeurs de dureté, le contenu minéral et la densité diminuent progressivement de la surface extérieure vers l’EDJ18-22. Plus spécifiquement, Kodaka et al.19 ont trouvé une corrélation modérée entre la dureté Vicker et la concentration en P dans l’émail, mais une faible corrélation avec le Ca. Ils ont indiqué que les valeurs de la dureté Vicker, le Ca et le pourcentage de P diminuaient significativement dans les sites de l’émail extérieur, moyen et intérieur. D’autres études11,19 ont rapporté que la surface externe de l’émail est plus dure que la surface interne, et que la dureté diminue continuellement du bord externe vers l’EDJ. Gustafson et Kling21 ont proposé que les différences de dureté de l’émail puissent être produites par des variations de la direction des indentations dans une section de dent unique. Cependant, certaines autres études13 ont trouvé une différence quelconque, seulement de légères indications que l’émail est plus dur dans la cuspide et la surface externe que dans le bord cervical ou l’EDJ, mais la différence était inférieure à la DS rapportée, et donc aucune déclaration définitive ne peut être faite.
Les chiffres de dureté rapportés pour la dentine varient également. En raison de la plus grande taille de l’indentation par rapport à la microstructure de la dentine, cette variation peut être due aux différences de densité des tubules dentinaires à différents endroits. Kenney et al.3, en utilisant un microscope à force atomique modifié pour mesurer la dureté de la dentine, ont indiqué que la dentine péritubulaire hydratée a une dureté à l’intérieur de la gamme de 2,2 à 2,5 GPa indépendante de l’emplacement, tandis que dans la dentine intertubulaire, cette dureté dépendait effectivement de l’emplacement, et elle était significativement plus grande près de l’EDJ (valeurs de 0,49 à 0,52 GPa) que près de la pulpe (de 0,12 à 0,18 GPa).
Un autre paramètre qui doit être pris en compte dans est le temps. Il a été rapporté que dans la dent humaine, les indentations de la dureté se restaurent après le temps13,22. Cependant, en général, on sait peu de choses sur la façon dont la taille de ces indentations change avec le temps. L’émail étant un matériau plutôt fragile, la dépendance au temps d’une indentation semble être très faible ou négligeable. Cependant, dans la dentine, Herkstroter et al.22 ont constaté que les indentations se relâchaient (devenaient plus petites) sur une période d’un jour ; après cela, les indentations ne changent plus statistiquement. Une explication de la relaxation des indentations pourrait être les différences dans le contenu de la matrice organique et/ou dans la liaison entre la matrice minérale et organique.
Comme on peut le voir, trop de paramètres sont impliqués dans l’analyse de la dureté des dents humaines ; par conséquent, dans ce travail, nous obtenons des valeurs de dureté Vickers précises (avec un écart-type minimum) pour l’émail et la dentine dans les dents saines. Nous avons pris soin de la méthode de préparation de l’échantillon, de la composition chimique tout au long de la dent, et de l’orientation relative du pénétrateur avec les prismes d’émail et les tubules de dentine pour identifier et contrôler les paramètres qui affectent statistiquement la mesure de la dureté. Les indentations de dureté Vickers ont été mesurées et analysées par microscopie optique (LM) et microscopie électronique à balayage (SEM).
2. Procédure expérimentale
Sept prémolaires matures et saines, fraîchement extraites pour des raisons orthodontiques, ont été encastrées dans une résine autopolymérisable (figure 1). Les dents encastrées ont été sectionnées transversalement ou longitudinalement (Fig. 1 : a, A2) à l’aide d’une fraise à molette diamantée Whiler Mod. Cutto-1. Trois dents ont été sectionnées parallèlement à la surface occlusale, en effectuant des coupes à près de 0,5 mm de la cuspide, à 1,5 mm dans la cuspide, dans le tiers moyen et dans le tiers cervical (Fig 1 : c, d, e). Les autres ont été sectionnées bucolingualement, perpendiculairement à l’axe mésiodistal de la dent (Fig 1 : A1).
L’un des facteurs qui affectent la mesure de dureté est la préparation de l’échantillon, car toute inclinaison ou surface non plane donnerait un IL trop important et donc une valeur VHN plus petite. Par conséquent, la production d’une surface plane dans les spécimens est cruciale dans cette analyse. Dans cette optique, les spécimens ont été polis avec des papiers de carbure de silicium de 1200 à 4000, de manière progressive, avec de l’eau. Le polissage final a été effectué avec de l’alumine de polissage 0.05 dans une polisseuse métallurgique à basse vitesse Buehler, mod. Minimet, avec une légère charge sur l’échantillon. Ensuite, les échantillons ont été nettoyés par trois périodes de 5 min chacune avec de l’eau distillée à l’intérieur d’un nettoyeur à ultrasons Bransonic mod. 52.
Les mesures de dureté Vicker ont été effectuées avec un appareil de mesure de microdureté Matsuzawa mod. MHT2 avec un pénétrateur en diamant à base carrée avec un angle de 136°. Ce testeur dispose d’un microscope optique de haute résolution et de contraste avec un grossissement de 400 ×. Les indentations ont été réalisées à une vitesse de 20 s en descente et avec des charges de 10 g, 25 g et 50 g, et jamais à proximité d’un bord de l’échantillon ou d’une autre indentation. La distance minimale entre deux indentations consécutives était supérieure à 40 mm. Le nombre d’indentations réalisées à un endroit de la dent dépendait de l’épaisseur de l’émail et de la dentine à ce niveau. Par conséquent, ce nombre était plus important dans la zone des cuspides que dans la zone cervicale (Fig. 2). Les critères d’acceptation d’une indentation étaient la netteté des bords diagonaux, l’uniformité de la forme diagonale (géométrie) et l’absence d’irrégularités dans la zone d’essai. Dans les échantillons longitudinaux, les indentations ont été réalisées de la surface externe de l’émail à la surface interne de la dentine, en passant par l’EDJ dans cinq zones : cervicale, tiers moyen, cuspide, sillon et parallèle à l’occlusion (Fig. 2). Dans les échantillons transversaux, ils ont été réalisés dans le sens bucolingual à mésiodistal (Fig. 1 : A2).
La longueur des axes de l’indentation de forme carrée (IL) a été lue soit avec l’échelle micrométrique fixée à l’oculaire du duromètre, soit avec un autre microscope optique (LM), soit avec le MEB. La valeur VHN a été obtenue à partir de tableaux. La valeur moyenne et l’écart-type ont été calculés pour l’IL et la NHV. La statistique de Kappa a été utilisée pour évaluer la fiabilité de l’erreur de l’observateur dans la lecture de l’IL. Une valeur de Kappa de 0,90 a été obtenue. Pour réduire les erreurs, le même observateur a effectué la lecture. Les microscopes Zeiss Axiotech LM et Jeol 5200 SEM ont été utilisés pour ces observations. Les résultats ont été analysés en comparant les valeurs de longueur d’indentation diagonale à l’aide de l’analyse de variance ANOVA. Pour l’analyse chimique EDS, un MEB Philips XL30 avec un détecteur NORAN-EDS, a été utilisé.
3. résultats
La figure 3 montre certaines des principales irrégularités d’indentation produites dans les dents humaines lorsque certains paramètres expérimentaux ne sont pas adéquats ; elles indiquent que la méthode de préparation de l’échantillon, ou la charge, et/ou la position de l’indentation ne sont pas les bonnes. Chacune de ces irrégularités empêche la mesure correcte de l’IL et, par conséquent, dans ce travail, lorsqu’une de ces irrégularités était observée, l’échantillon n’était pas utilisé pour la mesure de la dureté. En fait, l’observation d’une de ces irrégularités était suffisante pour revérifier la préparation et les procédures expérimentales de l’échantillon analysé.
La figure 4 montre la forme des indentations VHN qui couvrent toutes les exigences pour les mesures de dureté. La figure 4a montre un exemple d’indentations produites à travers toute l’épaisseur de la dent dans un échantillon longitudinal de cuspide. La figure 4b montre une partie des indentations produites dans l’émail, tandis que la figure 4c en montre une dans la dentine. Le grossissement est le même sur les figures 4b et 4c, de sorte que la différence de dureté entre l’émail et la dentine est évidente. La figure 4 permet également de comparer la taille de l’indentation et la taille des prismes de l’émail : cela indique une zone d’indentation de 25 mm2.
Pour éviter les indentations telles que celles présentées sur la figure 3, la méthode de préparation des échantillons a été perfectionnée et l’analyse avec des charges de 10 , 25 , et 50 g a été réalisée. Les valeurs moyennes des IL produites avec ces charges dans la même zone et leurs valeurs de VHN correspondantes sont présentées dans le tableau 1. En tenant compte du SD dans chaque cas, la similitude des valeurs de VHN dans la zone analysée est évidente. Cependant, l’écart-type pour les charges de 10 et 50 g est plus grand que celui de 25 g.
Collys et al.14 ont suggéré une charge de 50 g pour les études de la dureté de la dent parce qu’ils ont dit que les charges inférieures influencent la taille de l’indentation. Ils ont indiqué deux aspects pour cette influence de la charge : 1) la surface de l’échantillon est altérée pendant le processus de polissage, produisant un revêtement plus grand que la plus grande profondeur atteinte par le pénétrateur ; et 2) avec des charges plus faibles, la difficulté de lire les marques d’indentation augmente. Cependant, dans ce travail, nous n’avons pas observé, après la méthode de préparation de l’échantillon suivie, de couche de revêtement ; bien que la structure de l’émail et de la dentine soit toujours observée (Fig. 4). La profondeur atteinte avec le pénétrateur diamanté à base carrée utilisé était d’environ 2 mm. De plus, avec une charge de 50 g, presque toutes les indentations ont montré des fractures et une accumulation de matériau, comme celles montrées dans la Fig. 3. Avec la charge de 10 g, les indentations étaient très difficiles à lire.
Les valeurs de dureté obtenues avec 25 et 50 g étaient statistiquement similaires, mais la charge de 25 g a produit moins d’indications de fractures et de meilleures formes d’indentations. Par conséquent, après l’analyse du tableau 1, et en tenant compte de tout ce qui précède, la charge de 25 g a été choisie pour les mesures de dureté. De temps en temps, de légères fractures ont été observées sur le bord extérieur de la zone des rainures (zone 4) et dans le tiers central (zone 2), près de la surface vestibulaire, mais dans aucune des autres zones. Le temps d’application de la charge est un autre paramètre que nous avons étudié. McColm23 a indiqué que 15 à 30 s sont tout à fait recommandés pour les matériaux céramiques. Par conséquent, nous avons appliqué la charge de 25 g pendant 20 s pour cette étude.
La figure 2 montre les différents niveaux de la dent humaine où les indentations de dureté Vicker ont été réalisées. Le tableau 2 montre les principales valeurs de VHN obtenues avec la charge de 25 g au niveau des différentes zones de la dent évaluées. Ce tableau indique que la zone correspondant à la section transversale parallèle à l’occlusion (zone 5) présentait les plus grandes valeurs de dureté, tandis que la zone 1 (cervicale) présentait les plus faibles. Notez que, cependant, en tenant compte des valeurs SD, la différence de dureté entre la zone 1 et la zone 5 est minimale. Le tableau 3 montre les principales valeurs de VHN obtenues dans les différentes zones évaluées. Nous observons ici que la dureté dans l’émail est plus élevée que dans la dentine, comme prévu, mais elle reste presque constante dans toutes les épaisseurs d’émail et de dentine respectivement. Ce n’est que près de l’EDJ qu’il y a un écart où elle diminue de la valeur de l’émail à celle de la dentine.
D’après les données obtenues, la zone avec la valeur VHN minimale était la zone 2 (le tiers moyen) tandis que la plus grande était la zone 5 (parallèle à l’occlusal). En général, les indentations dans les échantillons de section transversale étaient plus faciles à lire, avec une très bonne forme et une marque de fracture minimale. En revanche, dans la section longitudinale, les indentations présentaient des signes de fracture, en particulier celles de la zone 2. Statistiquement parlant, les résultats obtenus par ANOVA ont montré des différences significatives (p > 0.05) entre la zone 5 et les autres. On en conclut que la zone 5 a montré la valeur de dureté significativement plus grande, tandis que la zone 1 a montré la plus faible.
L’analyse chimique par EDS a indiqué que la relation Ca/P était plus importante dans l’émail que dans la dentine. Dans l’émail, il était d’environ 1,63, contre 1,67 dans l’hydroxyapatite pure, c’est-à-dire plus de Ca que de P (tableau 4). Na, Cl et Mg ont également été détectés24 (Fig. 5). En général, dans l’émail, Na et Mg ont montré un minimum dans la surface externe de l’émail, mais ont augmenté continuellement jusqu’à atteindre l’EDJ. Ca et P sont restés presque constants sur toute l’épaisseur de l’émail. Le Cl a été davantage détecté dans la surface externe de l’émail que dans l’EDJ. Dans la dentine, le rapport Ca/P a été trouvé autour de 1,5 (tableau 4) ; c’est-à-dire, plus de P dans l’émail que dans la dentine ; Cl n’a pas été présenté, Mg a augmenté de l’EDJ à la surface interne, et Na a diminué dans ces sites (Fig. 5). Il est également intéressant de noter le comportement de C et O : dans la dentine, le pourcentage de C et O est plus élevé que dans l’émail. Ceci est une indication d’un pourcentage pondéral plus important de matière organique dans la dentine que dans l’émail, comme il est bien connu.
4. Discussion
Selon nos résultats, dans les études de dureté dentaire, le pénétrateur Vicker est plus utile que celui de Knoop parce qu’une forme carrée doit toujours être conservée ; et près de la surface extérieure et de l’EDJ, une petite élongation des diagonales des indentations, qui produisent des erreurs dans les mesures de dureté, est facilement détectée. Par conséquent, nous proposons que le pénétrateur Vicker doit être toujours utilisé dans les études de dureté des dents.
Nous avons statistiquement trouvé une différence de dureté significative dans la même zone des échantillons de dents saines analysés mais seulement parmi les différentes zones de la même dent elle-même, selon les tableaux 2 et 3. Nous avons trouvé des valeurs de dureté dans la gamme de 270 à 360 VHN pour l’émail et de 50 à 60 VHN pour la dentine ; les différences dépendent de la zone évaluée. Ces résultats sont similaires à ceux rapportés par Craig et Peyton13, mais dans notre cas, ces valeurs de VHN sont constantes sur toute l’épaisseur de l’émail et de la dentine pour chaque zone d’évaluation. En conclusion, une légère augmentation de la dureté a été observée de la zone 1 à la zone 5 ; c’est-à-dire de la zone cervicale en section longitudinale à la section transversale, parallèle à l’occlusion.
Il est clair que la différence de VHN entre l’émail et la dentine est le résultat de la différence dans le contenu des matériaux organiques et inorganiques, comme il est bien connu. Cependant, selon nos résultats, le VHN trouvé dans l’émail et la dentine eux-mêmes ne sont pas influencés par la présence des éléments mineurs Na, Cl et Mg, comme certains auteurs l’ont indiqué18-22, mais seulement pour le pourcentage de minéralisation dans ces tissus.
5. Conclusions
Les valeurs de dureté Vicker de la dent ne montrent statistiquement aucun changement de la surface externe de l’émail à l’EDJ, et de l’EDJ à la surface interne de la dentine ; elles restent constantes tout au long de l’épaisseur de l’émail et de la dentine dans la zone analysée. La dureté est seulement plus importante le long de la section transversale que le long de la section longitudinale, et légèrement plus importante de la zone 1 à la zone 5. La différence de VHN entre l’émail et la dentine est le résultat du pourcentage de minéralisation qu’ils présentent.
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