Biomatériaux en Orthopédie Dento-Faciale – ORTHOPÉDIE-DENTO-FACIALE

Biomatériaux en Orthopédie Dento-Faciale – ORTHOPÉDIE-DENTO-FACIALE

Introduction

En orthopédie dento-faciale, les déplacements dentaires et l’action sur les bases osseuses sont obtenus grâce à des dispositifs intra-buccaux constituant l’essentiel de l’arsenal thérapeutique mécanique. Les matériaux composant les appareils orthodontiques doivent répondre à des critères mécaniques, mais ils doivent surtout et avant tout être biocompatibles et posséder une stabilité chimique permettant une utilisation assez prolongée dans le milieu buccal.

Définitions

En 1987, Williams a défini un biomatériau comme un matériau non viable utilisé dans un dispositif médical, destiné pour agir réciproquement avec des systèmes biologiques. La définition d’un biomatériau n’inclut pas uniquement les biomatériaux artificiels qui sont construits à base de métaux ou de céramiques. Un biomatériau peut aussi être une autogreffe ou allogreffe.

Biomatériaux en Orthopédie Dento-Faciale

Les Alliages Métalliques

Le principe général de l’orthodontie est de déplacer les dents dans les trois dimensions de l’espace afin d’établir une occlusion finale la plus fonctionnelle, la plus esthétique et la plus stable possible. Ces déplacements dentaires seront réalisés notamment par la mise en place en milieu buccal d’un dispositif orthodontique le plus souvent métallique.

Fils et Arcs

L’utilisation des fils est directement liée à la technique pratiquée. En effet, à chaque phase du traitement correspond des arcs avec des propriétés mécaniques particulières. Les arcs orthodontiques bénéficient des propriétés des différents alliages qui les composent. Les principaux alliages utilisés sont :

Les Alliages à Base d’Or

D’un point de vue historique, les alliages à base d’or furent les premiers à être utilisés malgré leur coût élevé. Les alliages d’or étaient utilisés dans la pratique de l’Edgewise préconisé par son concepteur Angle. Ils sont composés d’or, de cuivre, d’argent, de palladium et de platine. Ces fils à base d’or possèdent un module d’élasticité plus bas que celui de l’acier. Ces alliages nobles sont très résistants à la corrosion.

L’Acier Inoxydable

Dans les années quarante, les alliages nobles ont été remplacés par l’acier inoxydable, moins coûteux. L’acier inoxydable est caractérisé par une bonne malléabilité et est très facile à façonner. Les fils d’acier utilisés en orthodontie sont constitués de fer, de chrome, de nickel, et de moins de 2 % de carbone. Les fils en acier inoxydable peuvent se présenter en section ronde ou rectangulaire sous formes monobrins ou multibrins. Ces fils ont un rapport charge/flexion faible et sont préconisés dans les phases d’alignement et de nivellement. Ils possèdent par contre des forces de friction plus importantes étant donné leur état de surface plus rugueux et irrégulier.

L’Elgiloy

C’est un alliage composé principalement de cobalt, de chrome et de nickel qui fut développé par la Elgin Watch Company dans les années cinquante. En orthodontie, l’Elgiloy contient 40 % de cobalt, 20 % de chrome, 15 % de nickel, 16 % de fer, 7 % de molybdène, 2 % de manganèse, 0,15 % de carbone, 0,04 % de béryllium. Cet alliage, comme l’acier inoxydable, résiste bien à la corrosion. D’autre part, il est très malléable et permet la réalisation de boucles multiples. L’alliage se présente sous quatre types différents selon sa résilience, différenciés par quatre couleurs différentes :

• L’Elgiloy bleu, qui est le plus populaire, est peu résilient, recommandé pour les pliages importants ou pour les soudures.
• L’Elgiloy jaune est plus résilient.
• L’Elgiloy vert est semi-résilient.
• L’Elgiloy rouge est résilient et fragile.

Le Fil (Australien)

Ce fil fut mis au point par Arthur Wilcock dans les années cinquante pour une utilisation préconisée dans la technique de Begg (light wire technique). Il est principalement composé de 71 % de fer, 18 % de chrome, 9 % de nickel, 1 % de manganèse, et moins de 1 % de molybdène, de silicium et de carbone. C’est un fil très résilient et moins malléable que l’acier. Les pliages doivent être réalisés avec des angles adoucis pour éviter toutes fractures.

Le TMA

Cet alliage a été conçu et mis sur le marché orthodontique dans les années quatre-vingt par Burstone et al et Goldberg en collaboration avec l’Institute of Materials Science du Connecticut. Il représente un bon compromis entre les fils superélastiques et les fils d’acier ou les fils Elgiloy plus rigides. Il permet une déformation plus grande que l’acier et restitue une force plus douce et plus continue. Il est composé de 77,8 % de titane, 11,3 % de molybdène, 6,6 % de zirconium et 4,3 % de manganèse.

Les Alliages de Nickel-Titane

Les alliages nickel-titane (Ni-Ti) utilisables en orthodontie possèdent des propriétés pseudoélastiques particulièrement adaptées à certains types de déplacements dentaires. S’il existe à l’heure actuelle une grande variété d’arcs Ni-Ti, leurs qualités et leurs propriétés ne sont pas toujours identiques :

• Le Nitinol : Composé principalement de nickel (52 %) et de titane (45 %), l’adjonction de cobalt à l’alliage permet de moduler la température de transition, donc d’optimiser les propriétés mécaniques. Cependant, le Nitinol n’offre pas les caractéristiques de superélasticité et de mémoire de forme. Il offre un avantage certain vis-à-vis de l’acier lors des phases de nivellement et d’alignement, de correction des rotations et présente un état de surface moins lisse que l’acier, ce qui augmente les forces de frottements.
• Le Nitinol Chinois : Le Ni-Ti chinois présente une élasticité plus importante que le Nitinol. Ses indications d’utilisation clinique et inconvénients se superposent à celles décrites pour le Nitinol.
• Les Ni-Ti à Mémoire de Forme et Superélastiques : Offrent des propriétés pseudoélastiques étonnantes : la superélasticité et la mémoire de forme. Ainsi, dans une certaine gamme de température, ils peuvent subir une déformation apparemment plastique puis retrouver intégralement leur forme initiale par simple réchauffage.
• Le Copper Ni-Ti : C’est un alliage quaternaire (nickel, titane, cuivre, chrome) présentant les propriétés de superélasticité et de mémoire de forme. Par rapport au Ni-Ti classique, le Copper Ni-Ti délivre une force constante sur une plus grande étendue d’activation. Il est aussi plus résistant à la déformation permanente.
• Le Ni-Ti Japonais : En 1978, Miura et Mogi avec le soutien de la Furukawa Electric Corporation, développe un alliage Ni-Ti à mémoire de forme, exploitable dans les conditions de température buccale, connu sous le nom d’alliage Ni-Ti japonais. Ce fil se caractérise par sa superélasticité, son effet mémoire de forme, sa possibilité d’éducation, et enfin par son excellent effet détente.

Verrous Métalliques

L’attache orthodontique ou verrou, bracket en anglais, est un dispositif fixé à chacune des dents d’une arcade pouvant être collé sur la dent ou soudé sur une bague et servant d’intermédiaire entre la dent à déplacer ou immobiliser, et l’effecteur mécanique que constitue la partie active de l’appareil orthodontique. Survenue avec l’apparition des techniques dites « fixes », l’attache va se diversifier avec la multiplicité des techniques existantes et évoluer de façon conjointe avec chacune d’elles. D’un point de vue des biomatériaux, les matériaux utilisés sont : l’acier inoxydable, le titane et les alliages chrome-cobalt, hormis les brackets du système Incognito coulés en or à partir d’un set-up.

Minivis

En orthodontie, quelle que soit la technique utilisée, la gestion de l’ancrage est d’une importance capitale. L’emploi d’un ancrage intra-osseux par minivis a permis à l’orthodontiste ces dernières années de disposer d’un ancrage absolu direct ou indirect. Les différents alliages proposés sont :

• L’acier inoxydable chirurgical.
• Le titane.

Brasure et Soudure

Les orthodontistes sont aujourd’hui confrontés à un choix majeur entre deux orientations techniques lors de la réalisation d’assemblage : la brasure et la soudure au laser.

La Brasure

Le brasage est le moyen d’assemblage conventionnel utilisé en odontologie. Il consiste à unir des éléments métalliques entre eux par l’interposition d’un matériau d’apport dont la composition est différente et la température de fusion inférieure à celle de l’alliage de base. L’orthodontiste utilise de la brasure à l’argent avec un flux désoxydant, incorporé ou non, et avec un chalumeau à gaz.

La Soudure au Laser

La soudure au laser présente un grand intérêt dans l’innovation en odontologie, et par conséquent en orthopédie dento-faciale, par rapport aux brasures traditionnelles. La soudure correspond à l’assemblage de deux pièces métalliques ou de certains produits synthétiques, exécuté par voie thermique. La soudeuse est composée d’un dispositif laser, de composants optiques pour guider le faisceau et d’une zone de travail pour permettre la manipulation et le positionnement de la pièce à souder. Le travail est contrôlé visuellement sous un stéréo-microscope à un grossissement de 25 fois permettant une précision de l’ordre de la tête d’épingle.

Verrous Plastiques et Composites

Utilisés dans le but d’améliorer l’aspect esthétique des appareils multi-attaches, les verrous plastiques ou en polycarbonate apparaissent dans les années soixante. Ils sont indiqués chez l’adolescent et l’adulte sensibles aux facteurs esthétiques. Au début, les premières attaches ne répondent pas aux exigences de stabilité clinique et aux contraintes mécaniques d’un traitement d’orthodontie. Ils sont fragiles et les fractures se situent au niveau des ailettes. Pour pallier aux inconvénients des attaches en polycarbonate, les attaches en composite ou en résine apparaissent au début des années soixante-dix. Leurs mauvaises qualités mécaniques et leur dégradation chimique dans le temps imposent une utilisation discrète :

• Manque de rigidité.
• Décoloration.
• Fracture.
• Absorption de l’eau qui favorise et aggrave la coloration et le ramollissement du matériau.

Céramiques

La demande des patients de restaurations dentaires plus esthétiques a conduit la dentisterie générale à élargir son horizon à la dentisterie esthétique. L’orthodontie n’a pas fait exception à ce besoin. Aujourd’hui, de nombreux patients adultes demandent un traitement orthodontique de première qualité avec une gêne esthétique minimale. En orthopédie dentofaciale (ODF), les céramiques sont exclusivement utilisées pour la confection des attaches. Par définition, les céramiques sont des produits ni métalliques, ni polymériques, incluant des matériaux tels que les pierres précieuses, les verres, les oxydes métalliques. Les attaches en céramique commercialisées à ce jour sont constituées de deux oxydes métalliques :

• L’oxyde de zirconium (ZrO2).
• L’oxyde d’alumine (Al2O3), qui est certainement le plus utilisé pour la fabrication des attaches.

Les céramiques sont chimiquement inertes vis-à-vis de l’air, des fluides oraux, des acides et des bases. Elles présentent les propriétés mécaniques suivantes :

• La dureté de la céramique est au minimum deux fois plus élevée que celle de l’acier inoxydable.
• Les céramiques présentent une très faible résistance à la fracture, ce qui les rend extrêmement fragiles.
• Une friction élevée avec les arcs métalliques.

La pose des brackets en céramique nécessite à la fois un système de rétention suffisamment solide pour résister aux forces orthodontiques utilisées lors du traitement, mais aussi suffisamment fragile pour permettre une dépose aisée, tout en conservant l’intégrité de l’organe dentaire.

Les Matériaux Polymères

Un polymère est une espèce chimique dont les molécules sont formées par l’union (condensation, addition, polymérisation) de molécules organiques plus simples identiques entre elles, dites monomères.

Les Polymères de Thermoformage

Si le thermoformage n’est pas une technique récente en orthopédie dento-faciale (Kesling, 1945), elle suscite un réel intérêt thérapeutique depuis une dizaine d’années grâce aux progrès des biomatériaux associés aux différentes techniques développées pour ce procédé (Essix de Sheridan, Invisalign, collage indirect…). Les produits thermoformables, couramment utilisés aujourd’hui en orthodontie, sont :

• Pour la réalisation des gouttières rigides : les chlorures de polyvinyle (PVC), les polyméthacrylates de méthyle (PMMA), les polycarbonates (PC), les polymères de styrène (PS), les polyuréthanes (PU), les polytéréphtalates d’éthylène amorphes (PETP).
• Pour les gouttières de rigidité intermédiaire, ou matériau démoulant : les polyéthylènes haute densité (PEHD).
• Pour les gouttières souples : les acétates de vinyle éthyle (EVA).

La Résine Acrylique

Commercialisée depuis les années trente, les résines acryliques sont classées au sein des matières plastiques dites thermoplastiques. Elle se présente le plus couramment sous la forme liquide-poudre, où la poudre est un polymère et le liquide un monomère. La résine « ortho » est composée de polyméthacrylate de méthyle. Elle est utilisée pour la confection des appareils amovibles en ODF. Elle peut se présenter sous différentes formes : translucide, de couleurs, à paillettes, avec des images incluses… pour le plus grand plaisir de nos jeunes patients. La résine acrylique utilisée en ODF est dite thermopolymérisable rapide. La préparation s’effectue par le mélange de la poudre et du liquide. Mélangée au liquide, la poudre donne une masse sableuse qui, quand la poudre a saturé le liquide, devient pâteuse : c’est la formation de la pâte. Ses propriétés mécaniques sont bonnes : dureté, résistance à la traction… Cependant, sa résistance à l’abrasion est faible.

Les Élastomères

Un élastomère est un polymère dit « élastique » : il supporte de très grandes déformations, presque totalement réversibles. Les polyuréthanes constituent le composant principal des matériaux élastomériques en orthodontie. Les élastomères utilisés en ODF sont :

• Ligatures élastomériques.
• Chaînettes élastomériques.
• Les élastiques.
• Le tooth positionner.

Les Matériaux de Collage et de Scellement

L’assemblage du bracket à la structure dentaire est réalisé par l’intermédiaire d’un biomatériau capable d’adhérer aux différents substrats en présence. Par définition, une colle est un matériau qui, appliqué à l’état fluide entre deux surfaces, contribue à les unir après durcissement. En effet, la plupart sont des composites qui nécessitent un agent intermédiaire (agent de liaison ou de couplage) pour adhérer aux interfaces. Par souci de simplicité, on appelle « colle » en orthodontie tous les matériaux unissant la dent et l’attache. Elles sont complétées par les ciments verre-ionomères qui sont à la fois agent de scellement et agent adhésif (scellement adhésif). L’orthodontiste est conduit à faire un choix entre les quatre familles de systèmes de collage :

• Les colles hydrophobes.
• Les colles hydrophiles.
• Les colles auto-mordançantes.
• Les ciments verre-ionomères modifiés par addition de résine (CVI-MAR).

Selon le mécanisme initiateur de la réaction de polymérisation, on distingue :

• Les colles chémopolymérisables : la réaction est initiée dès le mélange pâte-pâte ou pâte-activateur.
• Les colles photopolymérisables : la réaction est initiée par l’insolation grâce à une lampe à photopolymériser.

Comportement en Milieu Buccal des Biomatériaux Utilisés en ODF

Ces biomatériaux sont destinés à rester au contact du milieu buccal pour un temps plus ou moins long. Il est donc important pour le thérapeute de connaître les différentes interactions entre le tissu vivant et tous les composants de l’appareil. Ce comportement repose sur un mécanisme à double sens :

• Les effets du biomatériau sur le milieu (biocompatibilité).
• Les effets du milieu sur le biomatériau (biodégradation).

Biocompatibilité

C’est l’aptitude d’un biomatériau à remplir pleinement la fonction pour laquelle il a été conçu, sans porter atteinte à la vitalité du milieu biologique dans lequel il est inséré. Elle inclut la résistance à la corrosion et la tolérance des tissus aux alliages utilisés.

Biodégradation

Elle est définie comme la dégradation des caractéristiques d’un biomatériau créée par l’environnement biologique dans lequel il fonctionne. Elle peut être d’origine électrochimique (corrosion) ou biologique, par attaque microbienne, principalement. Le biomatériau ne peut plus remplir sa fonction correctement et il peut devenir dangereux.

Conclusion

Les biomatériaux sont unanimement et largement utilisés pour la confection des appareils orthodontiques. Ils constituent ainsi l’essentiel de l’arsenal thérapeutique mécanique. En qualité de praticien utilisateur, l’orthodontiste engage sa responsabilité face aux matériels et matériaux employés, et sera directement incriminé en cas de réaction anormale. Il doit donc connaître la réglementation en matière d’utilisation de dispositifs médicaux, et ses obligations en matière de matériovigilance (normes, traçabilité…).

Bibliographie

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2. Aurélie Pic. Les matériaux élastomériques, Orthod Fr 2009;80:55-68
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4. Claire Averlant-Dubois. Les polymères de thermoformage, Orthod Fr 2009;80:69-78
5. Edouard Decrucq, Thomas Devisse, Ouarda Benhammadi. Les matériaux de collage et de scellement, Orthod Fr 2009;80:87-96
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10. Stéphanie Malinowski, Loubna Moutaabbib. Les verrous métalliques, Orthod Fr 2009;80:23-26

Biomatériaux en Orthopédie Dento-Faciale – ORTHOPÉDIE-DENTO-FACIALE

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