CN104464476A - 一种动态仿生鼠胃消化系统装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生动态鼠胃消化系统装置，可用于多种不同类型和结构的食物及药物在真实鼠胃内的混合、消化和排空过程的有效模拟。动态仿生鼠胃消化系统装置的体外仿生鼠胃硅胶模型用于食物的储存、混合、消化与排空，体外电动压缩器械对体外仿生鼠胃硅胶模型产生上下垂直的挤压，流加-排空装置控制模拟胃液进入该体外仿生鼠胃硅胶模型的分泌速率和食糜的排空速率，保温盒通过加热其内部的空气以控制盒内的温度。该装置的体外仿生鼠胃模型采用高弹性、高稳定性、高透明度的加成型硅橡胶原料，具备真实鼠胃的形态、大小和生理结构的细节；该装置操作简单、清洗方便，可以方便的与体内活鼠实验结果作对比，从而科学的评估和改进其不足之处。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生动态鼠胃消化系统装置，可用于多种不同类型和结构的食物及药物在真实鼠胃内的混合、消化和排空过程的有效模拟。
背景技术
目前任何一种新的功能性食品和药物在投入市场被消费者和患者信任和接受之前，必须要进行严格的营养价值、毒理、药理等方面的实验和评价。而要评估其营养物质及有效活性成分在胃肠道内的释放率和利用率，首先要了解它们在胃内的消化和排空过程，认识其在体内的营养输送过程，从而改善食品和药物的加工方法或构建新的功能性食品，有效提高营养成分的消化吸收及药物的利用率。此外，随着食品安全问题日益突出，这对有效、快速、便捷的检测食品添加剂和有毒有害成分在体内的残留技术提出了新的挑战。
研究功能性食品和药物在胃肠道中的消化、排空及有效活性成分过程，以及有毒有害物质在体内的残留，其传统方法主要诉诸于动物活体和人体志愿者临床试验。由于活体或者临床实验对象的选择受到限制，而且因为生物个体生理（包括性别、年龄、病史等）差异、结构差异以及环境因素对生物体状态的影响，致使活体和临床试验费时费力、成本高、重现性差，并且还会受到伦理方面的限制。体外仿生消化道，是对人体或动物的消化系统及其消化环境、消化道内的流体动态行为进行仿生模拟的装置，不仅没有伦理方面的限制，而且可以完全或部分代替活体和临床试验，或者作为“前测试”来预测体内试验情况及优化活体试验条件，从而达到降低成本、节约时间、提高重复性和准确性的目的。
近年来，研究者们开发了多种体外消化系统模型，用于研究食物消化过程中的物理化学变化、食物之间相互作用、肠道益生菌存活率、功能性食品的开发和应用以及药物和有毒有害物质在胃肠道内的残留和代谢过程。当前的体外消化系统模型按照弹性大小可分为刚性系统、半刚性系统和柔性系统。刚性体外胃模型利用烧杯等简单容器通过搅拌器械或摇床震荡设备来驱动胃内容物混合，简便廉价、驱动（转速）可控，但缺乏对胃的生理形态、胃内理化环境、胃壁运动及流体动力学行为的有效模拟。因而，近年来研究者们更倾向于研究具有胃生理形态特征、胃壁可运动、胃液和食糜连续分泌和排空等更为复杂、更接近真实胃的动态体外仿生胃消化系统。目前应用比较广泛的体外消化系统主要包括由英国利兹海德食品研究所研制的DGM(Dynamic
Gastric Model)、荷兰TNO营养与食品研究所的TIM(TNO
Intestinal Model)和美国加州大学戴维斯分校的HGS(Human
Gastric Simulator)。这三种经典的体外消化系统各有优劣，可以有效模拟胃肠道中的物理和化学环境，重现部分食物或药物在胃肠道中的消化、排空及有效活性成分释放行为。但是它们都不具备真实胃的形态和生理结构的细节（大小、胃内壁褶皱等），无法重现食物在真实胃内的分布及消化、排空顺序，而且缺乏对胃壁蠕动收缩的有效模拟。此外，这些系统构造复杂，造价成本较高，拆卸和清洗不便；由于伦理限制无法方便获取人体胃肠道有关的生理学参数，致使不能有效验证上述系统的有效性和科学性。
发明内容
本发明针对上述不足提供了一种动态仿生鼠胃消化系统装置。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，由体外仿生鼠胃、体外电动压缩器械、流加-排空装置和保温盒四部分组成；体外仿生鼠胃硅胶模型用于食物的储存、混合、消化与排空，体外电动压缩器械对体外仿生鼠胃硅胶模型产生上下垂直的挤压，流加-排空装置控制模拟胃液进入该体外仿生鼠胃硅胶模型的分泌速率和食糜的排空速率，保温盒通过加热其内部的空气以控制盒内的温度。
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，所述的体外电动压缩器械包括底座、马达、频率控制器、偏心轮、杠杆、角板、弹簧、压板、支撑板；所述的马达驱动频率控制器转动，频率控制器的轴的一端设有偏心轮，偏心轮与杠杆的一端抵触；角板的一端通过轴与底座铰接，角板的另一端顶端布置压板，角板与底座之间设有弹簧；压板下方布置支撑板；压板与支撑板之间布置体外仿生鼠胃硅胶模型。
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，所述的马达转速的转速可调范围为0-10 rpm；压缩振幅可调范围为0-10 mm。
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，所述的体外仿生鼠胃硅胶模型，利用饱腹大小下的真实鼠胃通过翻模制作成型，硅橡胶管与前胃相连，用于模拟食管。
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，所述的外仿生鼠胃硅胶模型包括前胃与腺胃；若干根硅胶小管的一端分别连接腺胃，硅胶小管的另一端连接硅胶大管；前胃上连接食管；腺胃还设有幽门管。
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，所述的体外仿生鼠胃硅胶模型的由 “Dragon
Skin®”加成型硅橡胶制成。
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，流加-排空装置包括：模拟胃液，注射泵一，注射泵二，食糜收集瓶；所述的注射泵与硅胶大管相连，注射泵一将模拟胃液通过硅胶大管注入前胃与腺胃内，注射泵二与幽门管相连，注射泵二将胃液和食糜排除到食糜收集瓶中。
本发明所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，所述的保温盒内设有温度传感器、数显温控器、电源开关与射灯；温度传感器与数显温控器相连，数显温控器、射灯分别连接电源开关；保温盒一侧设有操作孔；根据盒内温度电源开关控制射灯开启与关闭。
有益效果
本发明提供的动态仿生鼠胃消化系统装置，体外仿生鼠胃模型采用高弹性、高稳定性、高透明度的加成型硅橡胶原料，通过真实鼠胃1:1翻模制作，具备真实鼠胃的形态、大小和生理结构的细节（内壁褶皱等）；该动态仿生消化系统装置能够动态且精确的重现真实鼠胃内的消化环境，包括温度、胃液的成分及其分泌速率以及食糜排空顺序和速率等；体外电动压缩器械可以高度近似的重现真实鼠胃的蠕动收缩频率和振幅，并且可以部分实现真实鼠胃胃壁的蠕动收缩形式；该装置体积小、造价便宜、操作简单、清洗方便，可以方便的与体内活鼠实验结果作对比，从而科学的评估和改进其不足之处。
附图说明
图1是体外仿生鼠胃硅胶模型的示意图。
图2是体外电动压缩器械的主视图。
图3是体外电动压缩器械的俯视图。
图4是体外电动压缩器械的左视图。
图5是保温盒的示意图。
图6是本发明装置的整体示意图。
图中：1是底座，2是马达，3是频率控制器，4是偏心轮，5是杠杆，6是角板，7是弹簧，8是压板，9是支撑板，10是体外仿生鼠胃硅胶模型，11是前胃、22是腺胃、33是食管、44是幽门管、55是硅硅胶小管、66是硅胶大管，12是模拟胃液，13是注射泵一，15是注射泵，16是食糜收集瓶，17是温度传感器，18是数显温控器，19是电源开关，20是射灯，21是操作孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明：
如图所示：一种动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于该装置主要由体外仿生鼠胃硅胶模型、体外电动压缩器械、流加-排空装置和保温盒四部分组成。体外仿生鼠胃硅胶模型是食物的储存、混合、消化和排空的部位，体外电动压缩器械对鼠胃模型产生上下垂直的挤压，流加-排空装置控制模拟胃液进入该模型的分泌速率和食糜的排空速率，保温盒通过加热其内部的空气控制盒内的温度。
具有高弹性和褶皱的内壁，且牢固耐撕扯。它的大小、形状和内部结构与真实鼠胃一致，前胃内壁光滑，腺胃内部褶皱。一根长度为5 cm的硅橡胶管与前胃相连，以模拟食管。腺胃部分依次插有4根长度为15 cm的硅橡胶小管，作为模拟胃液分泌管；分泌管另一端汇集后插入一段长度为3 cm的硅橡胶大管内，并用硅胶紧密粘合。食物由模拟食管进入，消化后的食糜从幽门出口处排出。
体外仿生鼠胃硅胶模型使用的材料是名为“Dragon Skin®”高性能A、B双组份加成型硅橡胶，使用该材料制作的仿生鼠胃硅橡胶模型呈半透明、不溶于、不与酸碱反应、无粘性、抗拉强度高达475 psi，失去外力作用能迅速回弹恢复原样。
该模型的长×宽×高分别为：40(±3)×30(±2)×21(±2) mm；最大储水体积为9.0 ±0.8 mL。前胃和腺胃的胃壁厚度分别为0.65±0.15 mm和1.22±0.25 mm；模拟食管的内径和外径分别是4.2±0.2 mm和6.2±0.2 mm；硅橡胶小管和大管的内径分别是1.0±0.1 mm和4.8±0.2 mm，外径分别是2.0±0.1 mm和7.0±0.2 mm。
体外电动压缩器械包括底座1、马达2、频率控制器3、偏心轮4、杠杆5、角板6、弹簧7、压板8、支撑板9；所述的马达2驱动频率控制器3转动，频率控制器3的轴的一端设有偏心轮4，偏心轮4与杠杆5的一端抵触；角板6的一端通过轴与底座1铰接，角板6的另一端顶端布置压板8，角板6与底座1之间设有弹簧7；压板8下方布置支撑板9；压板8与支撑板9之间布置体外仿生鼠胃硅胶模型10。底座、角板和压板都是优质铝板材质，表面经过防锈处理。马达转速的转速可调范围为0-10
rpm；压缩振幅可调范围为0-10 mm。
注射泵13与硅胶大管66相连，注射泵一13将模拟胃液12通过硅胶大管66注入前胃11与腺胃22内，注射泵二15与幽门管44相连，注射泵二15将胃液和食糜排除到食糜收集瓶16中。
由两台单通道注射泵分别控制模拟胃液的分泌和食糜的排空。
单通道注射泵由保定兰格恒流泵有限公司生产，型号为TJ-3A/W0109-1B，可安装mL规格的多种标准注射器,其线速度范围为7.94 μm.min-1
- 79.4 mm.min-1。单通道注射泵可以由其他型号的注射泵替换。
保温盒使用两台功率为1500 W的射灯加热亚克力材质的保温盒内的空气，保温效果由一台数显温控器来调控，温度传感器实时监测保温盒内部的温度。当内部空气温度降到36℃ 时自动接通射灯电源开关；当温度升至38℃时则自动断开电源开关。保温盒正面开有两个圆形的硅胶模操作孔，方便手进出操作的同时防止热量散发。亚克力保温盒的形状为长方体，外部尺寸为40×30×30 cm，圆形的硅胶模操作孔的直径均为10 cm。制备保温盒的材料、大小及相关配件都可以按需替换。
实施例
1
：
采用如图6所示的动态仿生鼠胃消化系统装置模拟酪蛋白粉末在鼠胃内的消化和排空过程，通过检测酪蛋白粉末的消化产物——可溶性多肽的含量（以酪氨酸为标准品当量表示）来定量描述酪蛋白粉末消化率。将实验结果与体内活鼠实验对比，从而验证该装置的有效性。其具体操作过程如下：
1）打开射灯电源和数显温控器的开关，开始加热保温盒内部的空气，温度达到37℃后自动断开射灯电源开关。
2）将灌注满模拟胃液（37℃）的硅橡胶管（内径：3.0 mm，外径：5.0 mm）的一侧与图6所示的单通道注射泵相连，另一侧与图1所示的体外仿生鼠胃硅胶模型中的硅橡胶大管相连。
3）待保温盒内温度达到 37℃并稳定后，用注射器注入0.60 mL 模拟胃液（37℃）于模拟鼠胃内，以模拟鼠胃禁食状态时胃液残留。
4）为了比较体外仿生鼠胃内壁褶皱的有无对酪蛋白粉末在其内部消化的影响，分别往内壁光滑和内壁褶皱两种不同的鼠胃模型中注入0.30
g酪蛋白粉末和4.0 mL去离子水，插上模拟食管并将幽门管出口与图6所示的注射泵通过硅橡胶管相连。
5）装置连接完毕后，开启如图3所示的体外压缩器械的频率控制按钮，旋转至3 rpm位置，压缩振幅设置为2.6 mm，（与真实鼠胃壁收缩频率和振幅一致），并同时打开如图6所示的注射泵，开始分别以一定的速率通入模拟胃液和食糜排空（胃液分泌速率和食糜排空速率均参照相关文献报道）。
6）每间隔30 min从食糜收集瓶中通过移液枪吸取80 μL消化液于1.5 mL离心管中，加入880 μL 0.3 mol.L-1三氯乙酸溶液沉淀未消化的蛋白质和胃蛋白酶，并将其保存于4℃冰箱，采用Lowry 法检其酪氨酸浓度，即可得到酪氨酸浓度随消化时间的变化曲线。
7）考虑到蛋白质在鼠胃内的平均停留时间是5 h，本实验同样持续5 h。实验结束后，首先关闭体外压缩器械开关，然后分别关闭注射泵，停止胃液的分泌和食糜的排出。
上述实验结果显示酪氨酸浓度随着消化时间的延长逐渐升高，但在内壁光滑和内壁褶皱两种鼠胃模型中具有显著性差异（P<0.05），其最高浓度分别为1200和1800 μg.mL-1。此外，从内壁褶皱的鼠胃中获得数据的重现性明显要高于内壁光滑的鼠胃。这表明内部褶皱的生理结构有助于提高酪蛋白的消化率，并获得良好的重现性。
将上述体外实验结果与体内活鼠实验结果相比较，由于目前的动态仿生鼠胃消化系统装置没有考虑生理因素的影响且不能完全重现真实鼠胃壁的蠕动收缩，使得酪蛋白的在该装置中的消化率明显低于真实鼠胃，但是酪氨酸浓度随消化时间的总体变化趋势单与体内实验结果高度一致，并且获得更好的重现性。
实施例
2
：
采用如图3所示的动态仿生鼠胃消化系统装置模拟生米颗粒在大鼠胃内的混合和消化过程，通过检测米粒的粒径分布和米粒的主要消化产物——麦芽糖浓度来表示米粒的消化程度。将其实验结果与体内活鼠实验结果比较，从而验证该装置的有效性。其具体操作过程如下：
1）打开射灯电源和数显温控器的开关，开始加热保温盒内部的空气，温度达到37℃后自动断开射灯电源开关。
2）将灌注满模拟胃液（37℃）的硅橡胶管（内径：3.0 mm，外径：5.0 mm）的一侧与图6所示的单通道注射泵相连，另一侧与图1所示的体外仿生鼠胃硅胶模型中的硅橡胶大管相连。
3）称取3.39 g不同初始粒径范围的米粒（d<0.6 mm:2.03
g；0.60<d<0.85 mm：0.66 g；d>0.85 mm：0.70 g）和2.15 g去离子水于一15 mL小烧杯内，然后加入1.15 mL模拟大鼠唾液淀粉酶溶液（37℃），磁力搅拌1 min (60 rpm)，以模拟米粒在大鼠口腔内的咀嚼过程。
4）待保温盒内温度达到37℃并稳定后，用注射器注入0.60 mL模拟胃液（37℃）于模拟鼠胃内，以模拟鼠胃禁食状态时胃液残留。
5）将3）中小烧杯内的米粒和水一次性缓慢的注入到如图1所示的体外仿生鼠胃硅胶模型内，插上模拟食管，并堵住幽门管，以防止食物流出。
6）装置连接完毕后，开启如图3所示的体外压缩器械的频率控制按钮，旋转至3 rpm位置，压缩振幅设置为2.6 mm，（与真实鼠胃壁收缩频率和振幅一致），并同时打开如图6所示的注射泵，开始以一定的速率通入模拟胃液（胃液分泌速率和食糜排空速率均参照相关文献报道）。注意此时没有模拟食糜的排空过程。
7）米粒在体外仿生鼠胃内消化60 min、120
min和180 min后，用移液枪分别吸取100 μL消化液于1.5 mL离心管内，加入200 μL NaOH和700 μL去离子水，并将其保存于4℃冰箱，采用DNS法测其麦芽糖浓度。将该不同消化时间的米粒内容物全部取出，采用筛分法测其粒径分布。
8）实验结束后，首先关闭体外压缩器械开关，然后关闭注射泵，停止胃液的分泌。
上述实验结果显示米粒在消化180 min后，较大粒径（d>0.85
mm）的米粒比例随着消化时间的增加逐渐降低，由初始的18%降低至5%；小粒径 (d<0.60 mm)比例逐渐升高，由初始的62%上升至80%；中等粒径（0.60<d<0.85 mm）比例没有明显变化。该结果与体内活鼠实验结果高度一致，没有显著性差异（P>0.05）。
无论在该动态仿生鼠胃消化系统装置还是在体内活鼠实验内，麦芽糖浓度均随着消化时间的增加呈“S”形累加，但麦芽糖浓度的绝对值含量差异明显，180 min时刻的麦芽糖浓度分别为70
mg.mL-1和125 mg.mL-1。麦芽糖浓度的相对增加值随消化时间的变化趋势二者保持一致，并且在体外实验测得的实验数据的相对误差明显低于体内实验数据。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在：由体外仿生鼠胃硅胶模型（10）、体外电动压缩器械、流加-排空装置和保温盒四部分组成；体外仿生鼠胃硅胶模型用于食物的储存、混合、消化与排空，体外电动压缩器械对体外仿生鼠胃硅胶模型产生上下垂直的挤压，流加-排空装置控制模拟胃液进入该体外仿生鼠胃硅胶模型的分泌速率和食糜的排空速率，保温盒通过加热其内部的空气以控制盒内的温度。
2.根据权利要求 1 所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于：所述的体外电动压缩器械包括底座（1）、马达（2）、频率控制器（3）、偏心轮（4）、杠杆（5）、角板（6）、弹簧（7）、压板（8）、支撑板（9）；所述的马达（2）驱动频率控制器（3）转动，频率控制器（3）的轴的一端设有偏心轮（4），偏心轮（4）与杠杆（5）的一端抵触；角板（6）的一端通过轴与底座（1）铰接，角板（6）的另一端顶端布置压板（8），角板（6）与底座（1）之间设有弹簧（7）；压板（8）下方布置支撑板（9）；压板（8）与支撑板（9）之间布置体外仿生鼠胃硅胶模型（10）。
3.根据权利要求 1 所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于：所述的马达（1）转速的转速可调范围为0-10 rpm；压缩振幅可调范围为0-10 mm。
4.根据权利要求 1 所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于：所述的体外仿生鼠胃硅胶模型，利用饱腹大小下的真实鼠胃通过翻模制作成型，硅橡胶管与前胃相连，用于模拟食管。
5.根据权利要求 1 所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于：所述的外仿生鼠胃硅胶模型（10）包括前胃（11）与腺胃（22）；若干根硅胶小管（55）的一端分别连接腺胃（22），硅胶小管（55）的另一端连接硅胶大管（66）；前胃（11）上连接食管（33）；腺胃（22）还设有幽门管（44）。
6.根据权利要求 1 所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于：所述的体外仿生鼠胃硅胶模型的由硅橡胶制成。
7.根据权利要求 1或5 所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于：流加-排空装置包括：模拟胃液（12），注射泵一（13），注射泵二（15），食糜收集瓶（16）；所述的注射泵（13）与硅胶大管（66）相连，注射泵一（13）将模拟胃液（12）通过硅胶大管（66）注入前胃（11）与腺胃（22）内，注射泵二（15）与幽门管（44）相连，注射泵二（15）将胃液和食糜排除到食糜收集瓶（16）中。
8.根据权利要求 1 所述的动态仿生鼠胃消化系统装置，其特征在于：所述的保温盒内设有温度传感器（17）、数显温控器（18）、电源开关（19）与射灯（20）；温度传感器（17）与数显温控器（18）相连，数显温控器（18）、射灯（20）分别连接电源开关（19）；保温盒一侧设有操作孔（21）；根据盒内温度电源开关（19）控制射灯（20）开启与关闭。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |