Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut d'ingénierie des systèmes I2S (Laboratoire de mécanique appliquée et de fiabilité LMAF)

Experimental investigation of the mechanical behaviour and structure of the bovine periodontal ligament

Sanctuary, Colin ; Botsis, Ioannis (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2902.

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    Summary
    One of the key problems in dental biomechanics is the prediction of tooth mobility under functional loads. Understanding tooth displacement due to load is becoming more important as new solutions in dental restorations, prosthodontics and orthodontic treatments become increasingly more advanced. The mechanical characterization of the alveolar bone, the tooth and the periodontal ligament surrounding the root of the tooth, is necessary to predict tooth mobility. The common assumption is that the periodontal ligament acts as the major element in the stress distribution to the supporting tissues. Obtaining parameters that describe periodontal ligament mechanical behaviour is a challenging problem. Isolating the tissue for testing, the small size of the specimen, and the necessity to maintain, as much as possible, the ligament in vitro under normal physiological conditions, are all factors that contribute to the complexity of the problem. The aim of this thesis is twofold and can be subdivided into two primary objectives. The first objective is to describe its morphology, anatomy, histology and structure of the components in order to determine its geometric parameters at different length scales. The second objective is to determine its mechanical properties by identifying key parameters through shear and uniaxial tension-compression tests. Four studies are performed to describe the morphology, anatomy and histology of the periodontal ligament. First, macroscopic and microscopic measurements of the tooth, bone, and the periodontal ligament are obtained. Second, a bovine first molar system is reconstructed in three dimensions from microcomputerized tomography scans. Third, the morphology of the ligament is observed during deformation using optical microscopy. Fourth, the histology of bovine periodontium tissue is investigated. In order to characterise the mechanical behaviour of the bovine periodontal ligament, custom- designed machines and gripping devices are constructed to subject speciallyprepared tissue specimens to shear and uniaxial tension-compression experiments. Shear experiments are performed on 2 millimetre thick transverse sections, and specimens of toothligament- bone of approximately 8x5x2 millimetres for uniaxial experiments. All specimens are obtained from first molar sites of freshly slaughtered bovines. In both shear and uniaxial testing, the specimens are subjected non-destructively to preconditioning, stress-relaxation, constant strain rate, and sinusoidal loading profiles before testing to rupture. The experiments reported in this thesis elucidate geometrical and mechanical characteristics of the periodontal ligament. Concerning its geometry, a variation in collagen fibre orientation is observed in transverse sections, moreover the symmetry of the shear tests in the apicocoronal direction suggests the periodontal ligament is vertically isotropic. Uniaxial specimens, however, may be considered to be transverse isotropic. Concerning its mechanical behaviour, the periodontal ligament is nonlinear viscoelastic in that it exhibits stiffening, nonlinear elasticity, and nonlinear pseudo-plastic viscosity. The interaction between various constituents of the periodontal ligament (collagen fibres, blood vessels, interstitial fluid etc...) during deformation contribute to the observed stress-strain response of this tissue. A nonlinear viscoelastic model presented in the literature, the Power Law, adequately simulates the nonlinear behaviour of the periodontal ligament using finite element analysis.
    Résumé
    La prédiction de la mobilité de la dent est une des majeures difficultés de la biomécanique dentaire. Une meilleure compréhension des mécanismes de déplacement d'une dent sous charge est importante dans l'avancement des technologies dans les domaines des restorations dentaires, des implants dentaires, et de l'orthodontologie. Afin de prédire le mouvement d'une dent, il est nécessaire de caractériser les propriétés mécaniques de l'alveolus, de la dent et du ligament dentaire entourant la racine de la dent. Le ligament dentaire affecte considérablement la distribution de contraines dans les tissus entourant la dent. Les paramètres qui décrivent les propriétés mécaniques du ligament dentaire sont à ce jour inconnus. La reproduction in vitro des conditions physiologiques, la préparation de l'echantillon, contribuent à la difficulté du problème. Le but de cette thèse est, d’une part de caractériser la morphologie, l’anatomie, l’histologie et la structure du ligament dentaire afin de déterminer sa configuration géometrique, et d’autre part, de déterminer ses propriétés mécaniques en soumettant le ligament dentaire aux expériences de cisaillement et de traction-compression. Quatres études sont effectuées pour décrire la morphologie, l'anatomie et l'histologie du ligament dentaire du bovin. Dans un premier temps, des mesures macroscopiques et microscope de la dent, de l'os et du ligament sont effectuées. Dans un deuxième temps, une première molaire est reconstruite en trois dimensions à partir de scans de la microtomographie computerisée. Dans un troisième temps, la morphologie du ligament dentaire est observée pendant sa déformation en utilisant la microscopie optique. Et dans un quatrième temps l'histologie du tissu du periodontium est examinée. Afin de caractériser la mécanique du ligament dentaire bovin, un appareillage spécifique est conçu et construit pour tester des échantillons de l'os-ligament-dent en cisaillement, et en tension-compression. Les expériences de cisaillement sont effectuées sur des coupes transversales de 2 millimètres d’épaisseur, et de traction-compression sur échantillons ayant les dimensions d'approximativement 8x5x2 millimètres. Tous les échantillons sont sectionnés d'une première molaire obtenue d'un bovin immédiatement après abattage. Tant pour les tests de traction-compression que de cisaillement, les échantillons sont soumis à un chemin de déformation non-destructif consistant en préconditionnement, relaxation, taux de déformation constant, et sinusoidal, avant d'être déformés à la rupture. Les résultats présentés dans cette thèse clarifient les caractéristiques de la géometrie et la mécanique du ligament dentaire. Concernant sa géometrie, une variation de l'orientation des fibres de collagène est observée dans une coupe transverse de la dent. De plus, la symétrie des courbes de contrainte-déformation obtenues lors des expériences de cisaillement suggère une isotropie verticale. Cependant, le ligament dentaire serait transverse isotrope en ce qui concerne les échantillons uniaxiaux. Concernant son comportement mécanique, le ligament dentaire est viscoélastique nonlinéaire; c'est-à-dire nonlinéaire élastique de durcissment, et une viscosité nonlinéaire pseudo-plastique. Ce comportement est dû à l'intéraction des constituants du ligament dentaire (fibres de collagène, vaisseaux sanguins, fluide interstitiel etc...) pendant sa déformation. En utilisant un modèle nonlinéaire viscoélastique de la littérature, la loi puissance, ce comportement peut être simulé numériquement en vue d’analyses par éléments finis.