Soutenance mémoire
Historique des différents types de fils utilisés en Orthodontie
Un fil orthodontique est constitué par un brin ou par l’assemblage de plusieurs brins d’alliage. Il est destiné à provoquer, guider ou empêcher le déplacement dentaire. Aussi, le choix du fil le mieux adapté à chaque situation orthodontique dépend de la connaissance des propriétés mécaniques des fils orthodontiques (FILLEUL, 17). Ces propriétés varient avec la nature, la longueur et la section du fil. Si l’histoire de l’orthodontie a été marquée par les évolutions technologiques qui ont permis de mettre successivement différents fils à la disposition des praticiens, le choix du ou des fil(s) reste aujourd’hui une étape-clé dans la planification du traitement. Au début du XXème siècle, ANGLE, considéré comme le père de l’orthodontie moderne, utilisait des fils en alliage à base d’or. Ces fils, relativement mous, peuvent être soudés et sont très résistants à la corrosion (CUINET et al., 15). Ils se présentaient d’abord en section ronde permettant un simple mouvement de bascule des dents, puis en section rectangulaire dans une gorge verticale (« Ribbon Arch ») pour mieux contrôler l’inclinaison vestibulo-linguale des dents. Enfin, à partir de 1928, ils sont apparus en section rectangulaire dans une gorge horizontale (« Edgewise ») afin d’optimiser le positionnement des dents dans les trois directions de l’espace. C’est cette technique « Edgewise » qui est, encore aujourd’hui, la plus répandue en orthodontie. Dans les années 1930, l’acier inoxydable austénitique (forme cubique face centrée, stabilisée à température ambiante) commence à remplacer les alliages à base d’or dont le prix devenait trop élevé ; il s’agit d’un alliage plus rigide (son module d’élasticité en traction E est voisin de 200GPa), avec une limite d’élasticité en traction élevée (LE = 1,30-1,89GPa), une flexibilité moyenne (dissipation de forces importantes sur des périodes courtes), une bonne malléabilité, une bonne résistance à la corrosion, un faible coefficient de friction (CUINET et al., 15). En fonction de la situation clinique, sa raideur peut être diminuée soit en augmentant la longueur du fil par la réalisation de boucles, soit en diminuant la section, soit en ayant recours à des fils multibrins. Le fil australien, mis au point vers 1950 par WILCOCK à Victoria, correspond à un acier austénitique qui a subi un écrouissage très important lors du tréfilage (CUINET et al., 15). La technique de BEGG est associée à l’utilisation de ce fil. Les années 1950 voient l’apparition des fils orthodontiques à base de chrome-cobalt, inspirés des alliages utilisés pour les ressorts horlogers de l’Elgin Watch Company. L’Elgiloy® (Rocky Mountain Co.) utilisé en Orthodontie est composé de cobalt, de chrome, de nickel, de fer, de molybdène, de carbone, de béryllium (CUINET et al., 15). Le chrome-cobalt présente une rigidité similaire à celle de l’acier, il peut être soudé et résiste bien à la corrosion. Sa principale particularité réside dans le faitque sa limite d’élasticité peut être augmentée de façon significative par un traitement thermique de type recuit, ce qui permet d’élargir son domaine élastique. Plus la limite d’élasticité est élevée, plus le domaine élastique est large, plus le domaine plastique est étroit ; la possibilité de réaliser des boucles est alors diminuée. On distingue par ordre de limite d’élasticité croissante, l’Elgiloy® bleu, l’Elgiloy® jaune, l’Elgiloy® vert, l’Elgiloy® rouge.
Les températures de transformation
Le passage d’une phase à l’autre étant fonction de la température, quatre températures (ou points) critiques ont été définies de façon théorique dans ce processus (Figure 5) :
– le point Ms (pour « Martensite start ») qui est la température d’apparition de la martensite au cours du refroidissement d’un alliage à mémoire de forme austénitique (ANiTi)
– le point Mf (pour « Martensite finish ») qui est la température, au cours du refroidissement d’un matériau austénitique, pour laquelle toute trace de phase austénitique a disparu, l’alliage étant devenu martensitique à 100%
– le point As (pour « Austenite start ») qui est la température d’apparition de l’austénite au cours du réchauffage d’un matériau martensitique
– le point Af (pour « Austenite finish ») qui est la température, au cours du réchauffage d’un matériau martensitique, pour laquelle toute trace de phase martensitique a disparu, l’alliage étant devenu austénitique à 100%.
Caractérisation microstructurale des matériaux : méthode de la calorimétrie différentielle à balayage
La calorimétrie différentielle à balayage (en anglais Differential Scanning Calorimetry ou DSC) est une technique de caractérisation des matériaux où un échantillon est soumis à des cycles contrôlés de variations de température. La quantité de chaleur nécessaire au maintien de la température de l’échantillon par rapport à une référence inerte est mesurée sous balayage d’un gaz inerte (azote, argon,…) pour éviter toute réaction du matériau étudié avec l’atmosphère du four. La transformation martensitique s’accompagne au refroidissement d’un dégagement de chaleur correspondant à l’enthalpie de transformation et au chauffage d’une absorption de chaleur correspondant à cette même enthalpie. A une température donnée, la fraction de chaleur dégagée ou absorbée est proportionnelle à la fraction massique transformée. La méthode utilisée pour mesurer l’enthalpie de transformation est l’analyse enthalpique (ou calorimétrique) différentielle. Les variations d’enthalpie se traduisent par des pics sur les thermogrammes qui sont les courbes exprimant le flux de chaleur en fonction de la température. Les courbes obtenues lors du chauffage permettent de déterminer les températures As et Af du pic endothermique tandis que les courbes obtenues lors du refroidissement indiquent les températures Ms et Mf du pic exothermique. Les thermogrammes sont donc un moyen d’appréhender la composition cristallographique du matériau à une température donnée. C’est ainsi que LEU a montré par DSC que les transformations de phases des fils orthodontiques à base de nickel-titane étaient plus complexes que prévu puisqu’elles pouvaient mettre en jeu, outre les phases attendues austénitique et martensitique, une structure intermédiaire rhomboédrique ou phase R (LEU et al., 29).
Analyses qualitative, quantitative, statistique
Trente fils orthodontiques du même type 35° Copper Ni-Ti Upper Small .017X.025® (Ormco Corp., Glendora, CA, USA) sont successivement examinés par calorimétrie différentielle à balayage. Pour chaque fil, l’analyse qualitative consiste en l’observation du nombre de pics au cours du chauffage et au cours du refroidissement. Un seul pic sur la courbe indique que le fil ne présente successivement que deux structures cristallographiques distinctes, la martensite à basse température, l’austénite à haute température. La présence de deux pics indique le passage par une autre phase intermédiaire, vraisemblablement la phase R (JORDAN et al., 25). L’analyse quantitative consiste en la détermination des températures de transformation pour chaque fil. Ces données sont regroupées au sein d’une analyse statistique descriptive : la médiane, la moyenne, l’écart-type et les valeurs extrêmes sont déterminées d’abord pour l’ensemble des trente fils puis pour chacun des lots A et B. Pour chacune des variables Ms, As, Af, le test de Kolmogorov-Smirnov (p<0,05) permet de déterminer si la distribution est normale. Si le résultat est positif, le test paramétrique de Student (p<0,05) est utilisé pour comparer les lots ; si le résultat est négatif, le test non paramétrique U de Mann et Whitney (p<0,05) est mis en oeuvre (SigmaPlot for Windows, version 11.0, Build 11.0.0.77, Copyright © 2008 Systat Software, Inc.).
Analyse qualitative : Présence d’une phase intermédiaire entre l’austénite et la martensite
Toutes les courbes de refroidissement ont montré un seul pic, soit une transformation directe du 35° Copper Ni-Ti® de la phase austénitique vers la phase martensitique. Ces résultats concordent avec ceux d’autres études (BIERMANN et al., 7 ; BOLENDER, 8 ; FISCHER-BRANDIES et al., 19 ; JORDAN et al., 25 ; KUSY et al., 28). L’observation d’une phase intermédiaire en DSC à température modulée (BRANTLEY et al., 11) n’a pas été retrouvée. Concernant les courbes de chauffage, seuls deux fils sur les trente ont généré des courbes présentant un deuxième pic, mais il n’a pas été possible de reproduire ce profil lors d’expériences ultérieures qui n’ont plus montré qu’un seul pic. Ces observations semblent refléter les résultats contradictoires rapportés dans la littérature. De nombreux auteurs n’observent pas de phase intermédiaire (BOLENDER, 8 ; FISCHERBRANDIES et al., 19 ; JORDAN et al., 25 ; KUSY et al., 28). Certains indiquent la présence de phase R (BRANTLEY et al., 11). D’autres sont partagés, rapportant que cinq des six fils 35° Copper Ni-Ti® testés ont transité au chauffage par la phase R (BIERMANN et al., 7). Dans ces conditions, affirmer que la transformation martensitique du 35° Copper Ni-Ti® implique la transition par une phase intermédiaire ne nous paraît pas justifié. Pour autant, l’assertion opposée selon laquelle il n’y a pas de phase intermédiaire lors de la transformation de cet alliage n’est pas plus confortée par les expériences de laboratoire. Il semble donc que la présence d’une phase intermédiaire ne soit pas prévisible pour cet alliage. Si les conditions de son apparition sont maîtrisables, nous n’en connaissons pas les paramètres : des fragments prélevés à partir d’un même fil et testés dans les mêmes conditions l’ont parfois fait apparaître, mais elle était le plus souvent absente. En tout état de cause, le clinicien, soucieux de la reproductibilité des procédures qu’il met en œuvre, ne peut raisonnablement pas compter sur un effet quelconque lié à la présence de phase R.
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Table des matières
1 INTRODUCTION
1.1 Historique des différents types de fils utilisés en Orthodontie
1.2 Propriétés mécaniques particulières des fils à base de nickel-titane
1.2.1 Les différentes phases
1.2.2 La transformation martensitique
1.2.3 Les températures de transformation
1.2.4 La mémoire de forme
1.2.5 La superélasticité
1.2.6 La transformation austénite / phase R
1.3 Températures rencontrées dans la cavité buccale
1.4 Aspects cliniques de l’influence des variations de la température buccale sur les propriétés mécaniques des fils
1.4.1 L’effet superélastique
1.4.2 L’effet mémoire de forme
1.5 Caractérisation microstructurale des matériaux : méthode de la calorimétrie différentielle à balayage
1.6 Objectifs de l’étude
2 MATERIELS ET METHODES
2.1 Fils étudiés
2.2 Calorimétrie différentielle à balayage
2.3 Analyses qualitative, quantitative, statistique
3 RESULTATS
3.1 Analyse qualitative
3.2 Analyse quantitative
3.3 Analyse statistique
4 DISCUSSION
4.1 Matériels
4.2 Méthodes
4.3 Résultats
4.3.1 Analyse qualitative : Présence d’une phase intermédiaire entre l’austénite et la martensite
4.3.2 Analyse quantitative : Valeurs des températures de transformation
4.3.3 Comparaison des différents lots
5 CONCLUSIONS
6 ANNEXE : Mise en œuvre de la calorimétrie différentielle à balayage
6.1 Mise en place et mise sous tension
6.2 Préparation de l’échantillon
6.3 Programmation
7 BIBLIOGRAPHIE
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