İnsan Dişinin Nanometrik Deformasyonu

Wiezmann Enstitüsü Yapısal Biyoloji Bölümü’nden Prof. Steve Weiner Boğaziçi Üniversitesi Biyo-Medikal Mühendisliği Enstitüsü’nün davetlisi olarak “Dişin Deformasyonu” başlıklı bir konuşma yaptı

Biyo-mineralizasyon, minerallerin organizmalarca oluşturulması konusunda uzman olan Weiner, On Biomineralization adlı kitabın eş-yazarı. Weiner ve ark. nın uzun vadeli amacı biyo-mineralizasyonun değişik organizmalarca kullanılan mekanizmalarını ve mineralize olmuş dokuların yapı-işlev ilişkilerini anlamak. Bu amaçla, kontrollü mineral oluşumunu mollusk, ekinoderm, süngerler, bitkiler ve omurgalılar üzerinde yapı-işlev ilişkisi, matriks biyokimyası ve doğal dokuların mineral süreçleri açısından inceleyerek, biyolojik mekanizmaları aydınlatacak in-vitro deneyler yapıyorlar.

Dünyada organizmalarca oluşturulan yaklaşık 70 farklı mineral çeşidi bulunuyor. Bu mineraller genetik olarak belirlenmiş karmaşık şekilleri alarak ve çoğunlukla dizinler oluşturarak organizmanın ekzo- ve endo- iskeletlerinin mekanik görevlerinin yerine getirilmesi, organizmanın dünyanın manyetik alanında ilerlemesi, yer çekimi alanında doğrultusunu bulması, geçici depolama yapabilmesi, yumuşak dokuların şertleşmesi, vs. gibi farklı işlevleri yerine getirmekteler. Mineralize olmuş dokular sıklıkla mekanik işlevleri olan grift hiyerarşik yapılar oluşturuyorlar. Yaşam boyu özellikle dişler ve kemikler zorlu mekanik görevler yerine getirmek zorundalar. Bu nedenle bu organların yapı-işlev ayarları doğa tarafından hassasiyetle yapılıyor.

Akıllı Malzeme Olarak Diş:

Dişi oluşturan mine ve dentin yapıları farklı malzemeler olmalarına rağmen birlikte çok başarılı bir şekilde çalışmaktalar. Diş minesinin çubuk demetleri halindeki kristallerinin ağırlığının %1’i organik maddeden oluşmaktayken, dentin, ağırlığının %20’sini oluşturan kolajen fibrillerinin içinde katmanlar halinde düzenlenmiş küçük kristal plakalardan oluşmaktadır. Diş minesinin ve dentinin içerdikleri maddeler dişin farklı bölgelerinin malzeme özelliklerinin de birbirlerinden farklılaşmasını sağlamaktadır. Dişin dikey kesitinin değişik noktalarının sertliği incelendiğinde, sertliğin minede yüksek olduğunu, mine-dentin birleşim noktasında düşüş gösterdiğini, dentin bölgesinde sertliğin yeniden arttığını görürüz.

İnsan dişinin yapı–işlev ilişkisi ve çiğneme sırasında dişin maruz kaldığı basma kuvveti karşısında oluşan deformasyon ve gerinim haritası holografik yöntemler ve Benek Örüntü Girişim Ölçer (ESPI) kullanarak nanometrik çözünürlükte görüntülenebiliyor. Bu çalışmalar sonucunda dişin değişik noktalarındaki elastik büyüklüklerin aynı ya da simetrik olmadığı, 3 boyutlu olarak incelenen nanometrik deformasyon haritalarında dişin anisotropisi, yani değişik eksenlerde dişin sergilediği malzeme özelliklerinin farklılığı görülmektedir. Örneğin, dişin yanağa bakan yüzünün mine ve dentinden oluşan kesitinin ortalama elastik büyüklüğü 3.5GPa iken, dile bakan yüzünde ortalama elastik büyüklük 9.7GPa oluyor.

Ayrıca, dişin sert ve yumuşak yiyeceğe verdiği yanıt, yumuşak yiyeceğin dişle temas ettiği alanın büyük olması, buna karşın sert yiyeceğin dişin sadece ufak bir bölgesiyle temasta olması nedeniyle farklılık gösteriyor. Dişte herhangi bir yükleme sonucunda oluşan deformasyon, bağıl deplasman büyüklükleri saptanarak gösterilebiliyor. Yüklemeye verilen dönme (rotasyon) yanıtı, koni şeklinde bir büyüklük farkı oluştururken, eksen yönünde görülen deplasmanlar V şeklinde görüntülenen büyüklük farkı yaratıyor.

Deneyler sonucunda elde edilen bulgular dişin yapısal özelliklerinin sergilenmesi açısından çok ilginç: sert yiyecek deneylerinde diş minesinde daha çok dönme (rotasyon) hareketi olduğu, yumuşak yiyecek deneylerindeyse diş etine yakın bir bölgede yüksek stres oluştuğu görülüyor ki, bunun diş hastalıklarının çoğunlukla başladığı noktada olması oldukça çarpıcı bir olgu. Deneylerde minimum miktarda hareketin görüldüğü bir başka nokta var ki, bu da iki dişin birbirlerine temas ettikleri noktaya denk geliyor; yani, bu özellik çiğneme sırasında dişi korumaya yarıyor. Bu özellikleriyle diş, uygulanan yükü yapısına zarar vermeden dağıtabilmek üzere tasarlanmış akıllı bir kompozit malzeme. Örneğin, diş minesi ile dentin bölgesi arasında bulunan yumuşak doku hem mineye hem de dentine göre daha çok deforme olarak şoku adeta kendi içinde emiyor

Bu çalışmaların sonucunda, dişin, malzeme özelliklerini bozmadan yükü dağıtmak amacıyla geliştirdiği bir çok yapısal tasarımları olduğu, diş minesinin yüksek elastik büyüklüğe sahip ama deforme olabilen bir kapsül olarak düşünülebileceği, çiğneme sırasında oluşan yükün büyük kısmının mine ile dentin arasındaki yumuşak bölgede deformasyona neden olduğu söylenebilir.

Derleyen: F. Şermin Utku, Araştırma Görevlisi, Boğaziçi Üniversitesi, Biyo-Medikal Mühendisliği Enstitüsü

anasayfa