Les Matériaux Élastomériques – Orthopédie dento-faciale ODF

Les Matériaux Élastomériques – Orthopédie dento-faciale ODF

1. Composition, Structure Macromoléculaire et Dynamique

1.1. Origines et Composition

• Un élastomère est un polymère dit « élastique » : il supporte de très grandes déformations (≫ 100 %), presque totalement réversibles.
• Le terme élastomère désigne ainsi tous les caoutchoucs synthétiques, c’est-à-dire les substances macromoléculaires possédant l’élasticité dite caoutchoutique.
• Le caoutchouc naturel, premier élastomère connu, est obtenu à partir du latex, un liquide blanc ou jaune sécrété par certains végétaux, notamment l’hévéa brasiliensis.
• Au début du 20e siècle, les chimistes parviennent à synthétiser le caoutchouc à partir du pétrole. Le raffinement industriel permet d’introduire en orthodontie l’usage des premières chaînettes élastomériques dans les années soixante. Les élastomères synthétiques sont des polymères amorphes de matériaux polyuréthane.
• Les élastomères contiennent de 50 à 60 % de polymères. Le reste est composé de charges, agents de vulcanisation, accélérateurs, produits retardant le vieillissement et autres additifs qui permettent de modifier la matière première pour répondre aux exigences d’une application définie.
• La vulcanisation est un traitement par le soufre et la chaleur qui améliore les propriétés en provoquant l’établissement de liaisons intermoléculaires, augmentant la stabilité du caoutchouc tout en conservant ses propriétés d’élasticité.

1.2. Structure Moléculaire et Dynamique

• Un élastomère est constitué de longues chaînes moléculaires rassemblées, au repos, en « pelotes ». Ces chaînes sont reliées entre elles par des points de réticulation, des enchevêtrements ou des liaisons polaires avec des charges minérales, formant un réseau.

• Les propriétés mécaniques des élastomères dépendent en premier lieu de la longueur des chaînes entre les nœuds du réseau. Plus cette longueur est faible (réseau dense), plus l’élastomère est rigide.
• En extension ou en torsion du matériau, les chaînes moléculaires se déplient et adoptent un ordre linéaire, aux dépens des liaisons secondaires, les liaisons primaires restant effectives.
• L’arrêt des contraintes d’extension-torsion permet aux chaînes moléculaires de retrouver leur configuration passive, repliée et aléatoire (déformation élastique), à condition que les contraintes n’aient pas rompu les liaisons primaires, auquel cas la déformation devient irréversible (passage dans le domaine plastique).

2. Propriétés Mécaniques

2.1. Déformation et Élasticité

• Toute force appliquée à un matériau se traduit par une déformation. À l’échelle microscopique, cette déformation entraîne l’apparition d’une force de rétraction qui tend à restituer à l’échantillon sa forme originale. Si la force de rétraction est constante dans le temps, le matériau a un comportement élastique.
• La rigidité des polymères varie en fonction des forces intermoléculaires entre les chaînes. Le module d’élasticité des polymères dépend également de la température.
• Ce qui rend les élastomères particuliers, c’est leur capacité de collisions élastiques (conservation de l’énergie cinétique totale des corps qui se heurtent, et conservation de la quantité de mouvement en l’absence de frottement), comme le rebond et l’étirement élastique, qui leur permet de reprendre leur forme initiale après étirement. Cette caractéristique est acquise par l’enchevêtrement de longues chaînes polymériques.
• Les propriétés des élastomères dépendent de leur degré de réticulation ; ainsi, les propriétés du caoutchouc varient en fonction de la quantité de soufre utilisée lors de la vulcanisation pour lier les chaînes les unes aux autres.

2.2. Allongement et Module de Rigidité

• Les élastomères subissent une transition vitreuse en dessous de la température ambiante (de -50 °C à -80 °C pour les polyuréthanes). En dessous de la température de transition vitreuse, ils sont relativement rigides, alors qu’au-dessus, ces matériaux deviennent hautement flexibles avec une activation thermique.
• Ils contiennent souvent une seconde phase de polymère cristallin qui subit une fusion au-dessus de la température de transition vitreuse.
• La rigidité du réseau dépend de la longueur et de la nature chimique des chaînes polyols entre les ponts « uréthanes ». Pour des chaînes de même nature chimique, plus les chaînes sont courtes, plus les ponts sont rapprochés, et plus le système est rigide.

2.3. Force de Rupture

• La force de rupture correspond à la force qui provoque la rupture de l’élément élastique. Les élastomères sont caractérisés par une grande résistance mécanique : capacité élevée à éviter l’effondrement par déformation plastique ou par rupture.

3. Vieillissement et Biodégradation

3.1. Biodégradation Fonctionnelle

• Les composants élastomériques sont incapables d’exercer une force d’intensité constante pendant une longue période, en partie à cause de leur comportement viscoélastique.

• En élasticité, la relation entre contrainte et déformation est indépendante du mode d’application de la contrainte ou de la déformation. En viscoélasticité, ce n’est pas le cas, et il faut préciser le protocole expérimental utilisé pour appliquer la contrainte ou la déformation. Deux modes de déformation : la relaxation et le fluage.
• Le fluage est le phénomène de déformation irréversible qui augmente avec le temps sous l’effet d’une contrainte constante. La vitesse de fluage augmente généralement avec la température du matériau. Comme pour la déformation plastique, le fluage est toujours associé à la déformation élastique.

• La relaxation est la diminution de la contrainte sous une déformation constante.

3.2. Facteurs Influant en Bouche

• Facteurs chimiques : salive (enzymes, flore bactérienne complexe), nourriture, hygiène.
• Facteurs thermiques : variations de température des aliments.
• Variations de pH.
• Facteurs mécaniques : mastication, brossage.
• L’eau agit comme un plastifiant en fragilisant les forces intermoléculaires des polyuréthanes, conduisant à une dégradation chimique. Les variations de pH et de température dans l’environnement oral, ainsi que l’accumulation de plaque et la formation de colonies bactériennes à la surface des élastomères, peuvent affecter la structure, les propriétés de surface et la conformation des polyuréthanes.

4. Utilisations Orthodontiques des Élastomères

4.1. Ligatures Élastomériques

4.1.1. Composition

• Leur composant principal est un polyuréthane. Certaines ligatures sont des polyuréthanes avec injection de silicone. Les ligatures élastomériques sont utilisées pour solidariser l’arc dans la gorge du bracket.

4.1.2. Déperdition de Force

• Selon une étude, la perte de force des ligatures élastomériques est exponentielle et atteint 50-60 % durant les premières 24 heures, puis continue à diminuer pendant 7 à 10 jours.
• L’humidité et la chaleur amplifient la perte de force et la déformation permanente des ligatures élastomériques.

4.1.3. Friction et Ligatures Élastomériques

• Le principal défaut des ligatures élastomériques est qu’elles engendrent de la friction.
• Les ligatures petites et medium ont une friction réduite de 13-17 % par rapport aux ligatures larges.

4.2. Chaînettes Élastomériques

4.2.1. Composition

• Le composant principal est également un polyuréthane.

4.2.2. Types

• Les chaînettes élastomériques existent sous différentes formes : modules serrés, rapprochés et espacés. Elles peuvent être transparentes, grises ou de différentes couleurs.

4.2.3. Activation et Force Délivrée

• Les chaînettes élastomériques doivent avoir une force élastique et un module élastique suffisants pour éviter des ruptures prématurées et fournir les niveaux désirés de force délivrée.

4.2.4. Déperdition de la Force Délivrée

• La déperdition de force est de 40 à 50 % durant les premières 24 heures, puis continue à un taux plus faible pendant deux à trois semaines.
• Les chaînettes sont très sensibles aux chocs thermiques et aux variations de température.
• Les chaînettes perdent moins de force dans un milieu basique qu’en milieu acide.

4.3. Les Élastiques

• Depuis le début des années quatre-vingt-dix, des élastiques synthétiques sont apparus pour les patients présentant une allergie au latex.
• La rigidité de l’élastique dépend de sa nature et de son épaisseur : plus il est épais, plus il est rigide.
• Les élastiques présentent une perte de force importante durant les trois à cinq premières heures, puis elle se stabilise, quels que soient la taille, le fabricant ou la force délivrée.
• Les élastiques sans latex ont une perte de force significativement plus importante après 24 heures (50 % au bout de 24 heures) et sont plus déformables, devant être changés plus souvent que ceux avec latex.

4.4. Élastodontie

• En 1945, Kesling a introduit le « tooth positioner », appareil utilisé pour la finition des traitements orthodontiques. Depuis, différents matériaux ont été utilisés, dont un caoutchouc polyuréthane. Actuellement, un « positionneur » en silicone à basse température est souvent employé.
• Yoshii, à Tokyo, a développé en 1980 le concept de « positionneur dynamique », devenu l’élastodontie. L’appareil original de Yoshii, appelé l’Osamu, déplace les dents en utilisant l’élasticité d’un matériau élastomérique pour fabriquer une gouttière bimaxillaire. Le matériau élastomérique existe en trois duretés : dure, moyen et souple.

4.5. Composition Générale des Élastomères

• Polymère (appelé parfois « résine »).
• Charges ou produits de renforcement qui augmentent le module d’élasticité, la ténacité (résistance à la rupture), la résilience (résistance au choc).
• Adjuvants : plastifiants qui rendent le polymère plus flexible et huileux au toucher, diminuent la température de transition vitreuse ; stabilisants qui évitent la dégradation du polymère sous l’augmentation de la température ; colorants, pigments, lubrifiants internes.
• Les polyuréthanes, principaux composants des matériaux élastomériques en orthodontie, ont des performances variées selon les associations chimiques.
• Les segments esters augmentent la résistance à l’usure, la capacité de résistance à l’élongation, la résistance chimique et la stabilité aux UV.
• Les segments éthers accroissent la flexibilité à basse température, la résistance aux attaques microbiennes et diminuent les dégradations hydrolytiques.

5. Conclusion

Les élastomères sont des polymères de haute masse moléculaire à chaînes quasiment linéaires. Les macromolécules, entrelacées comme un tas de vers particulièrement longs, forment occasionnellement des ponts entre elles. Les molécules glissent par reptation sauf au niveau des ponts, qui donnent au matériau une mémoire de forme.

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