www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (3) 61-66 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Ferhat BÜLBÜL Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, ERZURUM Özet Kompozit malzemeler, genel olarak tabiatta bulunan doğal kompozitler ve teknolojik imkânlarla üretilen suni kompozitler olarak ikiye ayrılmaktadır. Son derece karmaşık ve mükemmel bir tasarıma sahip doğal kompozit yapılardan biri de dişlerdir. Dişin kompozit yapısını, inorganik mineraller, organik protein yapıları ve su oluşturmaktadır. Çoğunluğu inorganik olan diş minesi ile dış etkilere karşı mekanik ve korozyon dayanımı sağlarken, inorganik ve organik karışımı yapısıyla dentin tabakası ve organik diş özü bölgesiyle de mekanik açıdan tokluk özelliği sağlanmıştır. Diş gibi doğal kompozitlerdeki mükemmel kompozit tasarımı, insanoğluna yüksek performanslı malzemelerin üretiminde esin kaynağı olmakta ve bundan sonra da esin kaynağı olacaktır. Anahtar Kelimeler : Doğal Kompozit, Diş, Apatit 1.Giriş İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin, en iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da ortaya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla, bu malzemelerin birleştirilmesiyle oluşan malzemelere kompozit malzeme denir. Kompozit malzeme kavramı, mühendislikte daha çok suni olarak üretilen malzemeler için kullanılmasına rağmen, asıl mükemmel kompozit malzeme tasarımları tabiattaki doğal malzemelerde mevcuttur. Çizelge 1 de doğal ve suni kompozitlerden birkaçına ait örnekler verilmiştir. Mükemmel kompozit tasarımlardan biri de memelilerin beslenmesinde kullandıkları doğal kompozit dişlerdir. Bu doğal malzemelerin yapısı, kompozit malzemelerin tasarımları için önemli ipuçları vermekte ve önemli bir esin kaynağı olmakta ve böylece daha yeni ve çok üstün kalitede suni kompozit malzemelerin üretiminin de yolunu açmaktadır. Çizelge 1. Doğal ve suni kompozitlere bazı örnekler Doğal Kompozitler Suni Kompozitler Bileşenler Bileşenler Tür Kemik Mineral Protein Su Beton Taş Çimento Parçacık Kabuk Mineral Protein Asfalt Katran (tar) Taş dağılı kompozit Ağaç Selüloz Lignin* Su, Hava Cam Plastik Cam fiber/lif reçine Lifli Kornea Kolajen Su Karbonkarbon fiber/lif karbon Karbon Amorf kompozit * Bitkide kök ve gövdenin sert ve odunsu yapısını oluşturan madde
Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 61-66 Dişin Yapısı Dişler, biyolojik olarak çok basit bir kelimeyle ifade edilmesine rağmen, çok karmaşık bir yapıya sahiptir (Şekil 1). Dış kısmına mine (enamel), gövde kısmına ise dentin (fildişi) denmektedir. Diş etinin altında dış yüzeyinde dış yüzeyinde çimento (cementum) denilen bir kaplama bulunmaktadır. Merkezde, sinir ve kan damarlarının bulunduğu canlı doku içeren diş özü (pulpa) vardır. Diş Minesi (enamel): Mine, fildişi ve çimento, hidroksi apatit (HA), protein, su, kalsiyum fosfat gibi malzemelerin karışımından oluşan bir kompozit malzeme oluşturur. Hidroksi apatit, kemiğin temel yapısını oluşturan biyoaktif bir maddedir. Genellikle Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) 2 formülüyle ifade edilen ve doğal olarak oluşan kalsiyum apatittir. Ca 2+ iyonları, PO 4 3 ve OH - iyonları ile kuşatılır. OH - iyonu ise, florit, klorit veya karbonat ile yer değiştirebilir (flor apatit-ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 ; karbonatlı apatit-ca 10 (PO 4 ) 6 CO 3 ). Böylece yapı daha da karmaşıklaşır. HA altıgensel kristal sistemde kristalleşir (Şekil 2) [1]. Christopher Armstrong, Şekil 3 te fotoğrafları verilen papağan balıklarının (parrotfish) dişleri üzerine bir araştırma yapmışlar [2] ve yaptıkları kristalografik ve kimyasal analizlerde balık dişlerinde bulunan apatit yapısı sayesinde sert mercan kütlelerini ısırarak beslenmesini sağladığını görmüşlerdir. Sertlik Mine Dentin Diş özü Çimento %96 İnorganik, %1 organik, su, çok sert doku %70 İnorganik, %30 organik, gözenekli yapı Organik, kan damarları ve sinirler %55 Organik, %45 İnorganik Şekil 1. Dişin yapısı Mine, dişlerin taç kısmını kaplayan ve dentini koruyan kalsiyumlu maddedir. Rengi sarımtırak ile grimtırak arasında değişkenlik arz eder. İnsan vücudundaki en sert dokudur ve ağırlıkça yaklaşık %96 sı inorganik minerallerden (kalsiyum ve fosfordan oluşan hidroksi apatit), %1 i organik minerallerden ve %3 ü de sudan oluşur. Şöyle ki, yetişkin bir insan dişindeki minede, nerdeyse hiç hücre ya da canlı gibi organik madde yoktur. Bu nedenle bakteri saldırılarına karşı son derece dayanıklıdır. Minede bulunan herhangi bir çatlak, yarık ya da kusur, diş çürümesinin başlangıcı olabilir [3]. 62
Bülbül, F. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 61-66 Şekil 2. Hidroksi apatitin altıgensel (hegzagonal) kristal yapısı [4]. Mine kısmı, yaklaşık 100.000 pound/inç 2 lik bir çiğneme basıncına dayanabilir. Yapısal olarak mine, milyonlarca mine çubuğu ya da prizmasından meydana gelir. Her bir çubuk, mine ile dentin arasındaki birleşme yerinde başlar ve taç kısmın dış yüzeyine kadar uzanır. Mine kısmı, dişlerin taç kısmı tamamlanmış olduğunda işlevlerini kaybeden epitel hücreler (ameloblast) tarafından oluşturulur. Bu nedenle, oluşumdan sonra, mine daha fazla büyüme ya da onarım gücüne sahip değildir [5]. Şekil 3. papağan balıkları (parrotfish), dişlerindeki sert apatit yapısı sayesinde ısırma kabiliyetine sahiptirler Fildişi (dentin): Dentin, renk olarak açık sarı renkte ve çok gözenekli bir maddedir. Dişin büyük bir oranını dentin oluşturur. Dentin cidarlarının iç yüzeyi, dişözü ile komşudur. Dentin kemikten sert, fakat mineden yumuşaktır. Yaklaşık %70 ini inorganik madde (apatitler), %30 unu da organik madde (protein/kolajen) ve su oluşturur. Kalsiyum ve fosfor, temel inorganik bileşenleridir. Dentin canlı bir dokudur ve ameliyat ya da protez işlemleri sırasında kurutma ve ısıl şoktan korumalıdır. Dentin, çimento ile öz arasında çalışan paralel gözenek ya da borular ile düzenli bir şekilde açılmış delikli bir yapıdadır (Şekil 4). Özden gelen hücresel işlemler, borulara aktarılır. Bu hücresel işlemler, yeni dentini oluşturur ve mineralleştirir. Dentin, dentinal liflerle acıyı hisseder. Dentin canlı bir 63
Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 61-66 doku olduğu için, psikolojik (işlevsel) ve patolojik (hastalık) uyarılara tepki veren sabit büyüme ve onarım kabiliyetine sahiptir [5]. Şekil 4. Dişteki dentin ya da fildişi tabakası [6 8]. Dişözü (pulpa): Dişözü, yumuşak diş dokusudur. Taç kısım içerisinde bulunmakta ve baş kısımdaki delikten giren kan damarları ve sinirleri içermektedir. Dişözünün görevleri, dentinin oluşturulması başta olmak üzere, dentini beslemek, dişe duyu hissini vermek ve dış etkilere karşı cevap vermektir. Periodontium (diş çevresi) kısmında, dişleri çevreleyen ve destekleyen dokular vardır. Dişlerin beslenmesi, desteklenmesi ve korunması işlevlerini yerine getirirler. Bu kısımda, çimento, çene kemiğinin, alt çenenin, bağ dokusunun ve diş etinin dişe yuvalanma işlemi söz konusudur. Çimento (cementum): Çimento, ince bir tabaka içerisinde diş köklerini kaplayan kemiksi bir dokudur. Hafif açık renkli olup, dentinden daha açıktır. Çimento, yaklaşık %55 organik malzeme (kolajen) ve %45 de inorganik malzemeden (kalsiyum tuzları) ibarettir. Çimento dişlerin boyun kısmında mineyi birleştirir. Çoğu dişte, çimento kısa bir mesafede mineyi örter. Bazılarında ise, mine, keskin bir hatla çimento ile karşılaşır. Çok azında ise, mine ile çimento arasında bir boşluk vardır. Bu durumda kök dentinin dar bir alanda kalır. Bu alanlar, ısıl, kimyasal ya da mekanik uyarılara çok duyarlı olabilir. Çimentonun temel görevi, dişleri diş çevresinde diş yuvalarının kemiksi cidarlarına bağlamaktır. Yani bir bağlayıcı görevi yapar. Bu, bağ dokusu ya da ince zar lifleri ile sağlanır. Çimento, aşınmadan kaynaklanan diş maddesi kaybının telafisi için ve kök yüzeyine yeni bağ doku liflerinin bağlanabilmesi için sürekli bir şekilde oluşmaktadır. Tüm bu bilgilere göre, dişlerin iç kısmı yumuşak ve dış kısmının da sert ve dayanıklı olduğu anlaşılmaktadır. Çünkü bir dişin her tarafı mine kısmı gibi, çok sert olsaydı, gevrek bir yapı olacak ve sert yiyecekler karşısında hemen kırılacaktı. Şayet tam aksine dentin dokusu gibi yumuşak olsaydı, bu sefer de birkaç yıl geçmeden dişler aşınıp öğütme kabiliyetini yitirecekti [5]. Makine dişlilerinin dış yüzeyi sert, iç kısmı tok imal edilir. Böylece elemanların gevrek bir şekilde kırılmadan, üzerlerine gelen enerjiyi depolama ve dağıtabilme güçleri artırılmış olur. Çekiç üretimi de aynı mantığa dayanarak imal edilirler (Şekil 5). (a) (b) (c) Şekil 5. (a) Çekiç, (b) Dişli ve (c) Diş yapılarının dış kısımları sert ve iç kısımları ise yumuşaktır. Bu mekanik dayanım ve tokluk sağlar. Bilindiği üzere, kompozit malzemeler, bileşenlerinin düzenlenmesine bağlı olarak uygun modül aralıklarına sahiptirler. Modül için karışım kuralları, en yüksek uygun değeri verir, fakat sert ve yumuşak bileşenler rasgele bir 64
Bülbül, F. Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 61-66 şekilde yapı içerisine birlikte dağıtılışmışsa, kompozitin modülü 1/(1/modül) ün ortalamasıdır, bu değer de bu en yüksek değerden çok daha küçüktür. Diş minesi ve dentin gibi etkin biyolojik sistemlerinin üst sınırlara yakın özelliklere sahip olması şaşırtıcı değildir. Çünkü bu sistemler, paralel çubukların en yüksek gerilim yönü boyunca olması sağlanarak bu özelliğe sahip olmuşlardır ve katılık (stiffness) çubuklara paralel olarak ölçülür. Diş minesinde, dentin sınırından yüzeye kadar uzanan, kristal yapıda uzun mineral çubuklar vardır. Mine, bu nedenle, bir lifli kompozittir ve yüksek katılık ve dayanım baskı yüklerine doğru yöndedir. Günümüzde en çok kullanılan seramik kompozitlerden biri betondur. Çimento ve kumdan meydana gelen malzeme, matris çelik çubuklar ile desteklenir. Dişte de, betondaki çelik çubukların görevini mineral çubuklar yapmaktadır. Başka bir doğal lifli kompozit de ağaçtır. Yumuşak ana faz içerisinde oldukça katı olan selüloz liflere sahiptir. Ağacın sert ve dayanıklı yapısı, ürettiği bu selüloz lifler sayesinde oluşur. Çünkü selüloz, sert ve suda çözünemeyen bir maddedir. İşte tahtanın inşaatlarda kullanılmasını avantajlı kılan da selülozun bu özelliğidir. Şayet bu selüloz liflerin hepsi paralel ise, ağaç kolayca yarılabilir. Özellikle de darbenin tahtanın damarlarına dik açıyla geldiğinde oluşan hasarın azaltılmasında çok daha iyi sonuçlar elde edilir. Dişin kırılmasının mineral çubuk desteleri arasında olduğunu söylemek daha doğrudur, fakat sağlam ve kusursuz bir dişte kolay kırılma yönü yoktur. Dişin gittikçe incelen köşe noktalarında ya da dilimlerindeki mineral çubuklar, gnarled-budaklı mineyi ileri geri eğer ve ağaçtaki bir budak gibi, yarılmaya direnç gösterir. Aynı zamanda, mineral çubukları üreten hücreler, çubuklar üretildikçe etrafta hareket ederler, böylece hepsi paralel olduğunda dahi çubuklar birbiri etrafında çevrilirler/bükülürler ve yine kolay yarılma olmaz. Son olarak çubuklar anahtar deliği şeklini alır ve birbirleri ile kilitlenirler, kolay kayma söz konusu değildir (Şekil 6). Şekil 6. Dişin gittikçe incelen köşe noktalarında ya da dilimlerindeki mineral çubuklar, budaklı mineyi ileri geri eğer ve ağaçtaki bir budak gibi, yarılmaya direnç gösterir. Çubuklar anahtar deliği şeklini alarak birbirleri ile kilitlenirler. Teknolojik olarak 20.yüzyılda kullanılmaya başlanan fiberglasın üretilmesinde esin kaynağı olan timsah derisi de kolajen protein liflerinden oluşan bir kompozit yapıya sahiptir. Dişin dentin tabakasında ve çimentosunda bulunan bu lifli yapının sağladığı dayanıklılık özelliği, timsah derisinde öyle bir mükemmel düzeydedir ki, bıçakla kesilememesi hatta kurşunun bile işlememesi söz konusudur (Şekil 7). Sonuç olarak, tabiatta dişin yapısına paralel olarak çok sayıda mükemmel özelliklerde doğal kompozit yapıya rastlamak mümkündür. 65
Teknolojik Araştırmalar 2007 (3) 61-66 Şekil 7. Timsah derisi de mükemmel bir doğal kompozit olup, diş yapısında da bulunan kolajenli yapı mevcuttur Dişi oluşturan malzemelerin mekanik özellikleri Çizelge 2 de gösterilmiştir. Malzeme Modül, GPa Sertlik (Vickers) Mine (enamel) 85 130 300 400 Fildişi (dentin) 15 60 Çimento (cementum) - 40 (Knoop) Diş çevresi bağı ~1 -- Hidroksiapatit 140 180? Kaynaklar 1. http://en.wikipedia.org/wiki/hydroxylapatite 2. Armstrong, C., Wentrup-Byrne, E., Nugent, K., Wyeth, P., Heywood, B., Armstrong, R., Polarised-Raman Investigations of the Microstructure and Elemental Substituents in Parrotfish Teeth, http://www.keele.ac.uk/depts/ch/groups/csg/caa/chrishome.htm 3. http://www.mse.cornell.edu/courses/engri119/class_notes/structure_of_teeth.html 4. Mathew, M., and Takagi, S., 2000, Structures of Biological Minerals in Dental Research, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 106, 1035 1044 5. http://www.tpub.com/dental1/26.htm 6. http://dentistry.umkc.edu/microscopy/esempict/dent-jimst.jpg 7. http://www.dent.unc.edu/research/defectsimages/figures/figure22.jpg 8. http://ipj.quintessenz.decontentposter316abb3.jpg 66