CN104851346B - 模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方法，包括至少一个动物消化道体外模拟单元，每个动物消化道体外模拟单元均包括框架、用于模拟特定消化道空腔的反应罐及多个能完成肠道模拟中一个具体且相对独立任务的功能模块，框架上设有多个用于安装功能模块以及反应罐的安装位，且所述功能模块和反应罐可拆卸装于该框架上；包含传感器或运动部件，或同时包含二者；每个功能模块由单独的Arduino nano 328作为控制芯片，通过USB串口连接上位机，框架上装有USB有源集线器，USB负责向功能模块内单片机供电以及上下位机相互传输指令。本发明将多个功能模块整合在框架中，节省了实验室空间，模块可以快速更换，做到不停机即可检查和更换故障模块。

Description

模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方法

技术领域

本发明涉及动物消化道体外模拟的技术领域，尤其是指一种模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方法。

背景技术

人类和动物的消化道体外模拟装置的不断推广，为食品及饲料科学，人类与动物营养学的研究提供了巨大的方便，逐渐被学术界接受，某些模拟装置甚至可以作为生产设备，生产需要肠道环境或肠菌激活的某些活性物质。

现在已公开的多个消化道模拟装置设计上均有很大相似：核心部件都是一至数个密封反应容器，用于模拟消化道的特定部位。由有限几种设备，如恒温水套层，蠕动泵，磁力搅拌器等动作部件，及pH，温度等传感器，对容器内环境进行控制，以实现模拟人类及动物消化道环境的目的。各个研究团队根据自己对动物消化道的不同理解，设计出多种连接反应容器的方式及控制方案，从而形成各自的实验模型。如SHIME系统采用5个反应罐，以A-B-C-D-E串联形式连接。余应新等人设计的系统在SHIME的基础上加入一个新的，模拟口腔的环节，同样是串联连接(F-A-B-C-D-E)。Oleg Paliy等人则只用了3个反应罐(C-D-E)模拟大肠阶段。Larry E.Robinson的系统用了平行的结构以方便空白对照(AA-BB-CC-DD-EE)。TomVan de Wiele等人设计的系统则只在大肠阶段采用空白对照(A-B-CC-DD-EE)。AnninaZihler Berner的设计引入一个预发酵罐概念，将菌液提前发酵后与模拟胃部食物混合，以模拟大肠菌群(A-B(-G)-C-D-E)。更多的情况下，研究团队采用单个反应容器模拟某一特定肠段。部分国外团队开发出相应的控制软件，实现了装置随时间或逻辑关系的程序控制。

然而，现阶段体外消化道模拟装置的研制及开发存在下述问题：1、此领域研究仍处于初期，尚未成熟。在可预见的未来，现有装置在设计上不可避免遇到结构调整或修改。各个反应容器的连接设置，也必然随研究的深入而变化。同时，随着传感器和精密控制技术的进步，未来模型中必定出现更多可控制的部件或采集的信息。而现有装置结构都相对封闭，并无更换与升级的设计，缺乏扩展性，为未来模型的改进和演变造成困难。2、尚未有任何一种模型或装置处于相对主流或广泛认可的地位，不同研究团队往往只拥有自己开发搭建的模型，无法搭建或购买其它研究组使用的模型作对比或验证，因此每个模型都缺乏第三方实验室横向验证条件。使用模拟器进行的研究，可信度及可重现性均受影响，也对此类装置的推广应用造成负面影响。3、不同研究团队即使采用同一模型，由于搭建模拟装置的硬件不同，造成的差异可能累积，直至影响实验结果的可重复性。如：蠕动泵内乳胶管的内管径，模型中并无规定，各团队搭建时按照自己的设计选用。而研究表明，菌液通过不同口径乳胶管时，可能对细菌生物膜造成不同程度的剪切作用，进而对菌群构成产生影响。只有采用规范统一实验设备标准，才能保证实验结果的高可重复性。4、现在国外已公开的，为数不多的，能实现程序控制的装置，软硬件均为严格意义上的封闭式开发，软件只针对特定的硬件系统，完成单一任务。如需对硬件进行修改或更新，既有软件都无法支持，必须重新开发，造成资源浪费。5、国内已有的模拟装置专利，均未详细描述软件控制的具体实现办法，更未描述软硬件扩展的具体实现办法。6、现有装置无法实现设置与实验参数的保存与分享，仍需要手动输入多个参数。随着模拟装置的不断完善与发展，为了更精确模拟消化道随时间产生的动态变化，未来需设定的参数可能多达数千，全部手动输入难以实现。将试验参数打包为独立配置文件，在搭建好的相同平台上直接调用，不仅便于重复实验，也可极大减少研究者工作量及出错的可能。7、构成现在大部分模拟装置的设备，如蠕动泵，磁力搅拌器等，都不是为消化道模拟工作而专门设计，在功能上有很多缺陷。如大部分成品独立蠕动泵均不具备上位机控制功能，磁力搅拌器不能连续工作10小时以上(肠道模拟装置中，磁力搅拌器需要能连续工作至少200小时)。多个设备往往含各自的外壳，支架，电流变压器，保险丝，开关，按钮，显示屏等重复部件。如果能只保留这些设备的核心部分，并实现统一供电和控制，能大大减少元件冗余，降低整体成本，防止设备间的冲突。8、构成现有大部分模拟装置的设备，如蠕动泵，磁力搅拌器，pH自动控制仪，在外观，体积等参数上未进行优化，不仅连接困难，控制分散，且占用巨大空间，有的甚至需要占用整个实验台。在长达数周的运行过程中，还要避免设备受到外界物理碰撞或微生物污染，增加了使用难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种结构紧凑可靠、节省空间、操作安装方便快捷、实验精准的模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其模块化动物消化道体外模拟系统，包括至少一个动物消化道体外模拟单元，每个动物消化道体外模拟单元均包括有框架、用于模拟特定消化道空腔的反应罐及多个能完成肠道模拟中一个具体且相对独立任务的功能模块，其中，所述框架上设有多个用于安装功能模块以及反应罐的安装位，且所述功能模块和反应罐可拆卸装于该框架上；每个功能模块由单独的Arduino nano 328作为控制芯片，通过USB串口接收上位机指令，USB同时对控制芯片进行供电，连接USB电源而未连接上位机时，也能通过模块上的物理按钮使用预设的强制手动功能，以用于调试，而连接上位机并完成初始化的功能模块能根据指令完成指定功能；上位机通过USB串口发送给每个下位机的命令，为可扩展的ACSII明码指令，指令以大写字母打头，表示指令类型，紧跟一位阿拉伯数字的参数，多个子指令由逗号隔开同时传输，子指令执行顺序不分先后，指令从功能上分为：1、动作指令集，功能模块的单片机接收到动作指令后按照参数运行每个动作部件；2、询问指令集，单片机接收到询问指令后产生应答，向上位机报告每个部件运行状态，或者功能模块基本情况。询问指令无参数，动作指令和询问指令能够同时混合发出，但动作指令应在询问指令之前，以确保下位机汇报的是已更改后的状态。下位机接收到USB串口接收到询问指令后发出应答，报告功能模块信息，上位机收集应答后判断下一步操作。指令的实现过程由功能模块内部的单片机进行翻译解析完成，上位机不负责具体实现过程。单片机的固化程序，以Arduino专用语言通过USB串口写入；不同功能模块对应不同固件，固件通过接收上位机指令，控制各部件完成功能模块所需要完成的任务，每个功能模块内包含完成模块任务所需要的电子或者机械元件，单片机根据接收到的指令，按照程序转换为这些元件运行所需脉冲信号，完成特定的动作。

所述功能模块包含传感器或运动部件，或同时包含二者；一个功能模块能实现以下功能之一：

1)pH控制：控制pH值，功能模块中的pH芯片收集pH电极电压，传给上位机，在达到上限时上位机启动蠕动泵注入稀释的碱液；

2)液面高度控制：控制反应罐内液体总体积，指定液面目标值、最小值、最大值，若液面低于最小值，则锁定蠕动泵不转；若液面高于最大值，则启动蠕动泵将反应罐内液体抽入下一反应罐，直到达到液面目标值；

3)水温控制：控制反应罐内液体温度，设定目标值、最大值、最小值，检测传感器传回的温度，若温度低于最小值，则报警；若温度高于指定最大值，则断开继电器以停止循环泵向水夹层内注入热水；

4)气体组分控制：检测容器内氧分压，自动通入氮气以排空氧气，使用氧气传感器，设定最大值，定时打开抽气泵进行气体采样，检测氧气传感器传回的氧气浓度信息，若高于最大值，则自动打开电控氮气阀进行吹氮工作，吹氮工作完成后，重新采样检测，若已低于最大值，则回到定时采样检测中，若高于最大值，则重复吹氮工作，若多次吹氮工作均无法使氧气含量回归正常数值，则报警；

5)自动采样：定时从反应罐中自动采集样品到不同试管中，并冷冻；

6)磁力搅拌：模拟不同强度的物理搅拌作用，能随周期更改运行速度和方向；

7)单向蠕动泵模拟：向反应罐中定时输入指定量的液体，如用于模拟胃液或小肠液的混合溶液；

8)pH双控制：控制pH值，指定需要到达的pH目标值、最小值、最大值，若pH低于最小值或高于最大值，启动蠕动泵，朝反应容器中注入稀释的碱液或者酸液，达到目标值后，停止蠕动泵；

9)铵浓度检测：检测反应罐中的铵离子浓度；

10)透析控制：将一部分无机盐通过透析的方式分离出反应罐；

11)吸光度比较：实时检测溶液的浊度变化；

12)检测细菌浓度：实时检测培养液透明度的改变，并转化为细菌浓度值。

所述框架内输入电压为220V，其内部变压器为功能模块提供24v直流电源，该框架上装有USB有源集线器，USB负责向功能模块内单片机供电以及上下位机相互传输指令，该框架的顶部设有用于放置试剂瓶的平台，所述平台上形成有至少一个试剂瓶安装位。

所述功能模块上分别设有定位磁铁、把手、24v直流电源插座孔、USB TypeB插座孔，握住把手能够将模块推入框架上的相应安装位，且推入后模块通过其上的定位磁铁固定在框架上。

所述功能模块以及反应罐的安装位设在框架的内部，该框架的内部区分为上、下两个区域，功能模块的安装位集中于上区域，反应罐的安装位集中于下区域；所述框架的下部配置有密封盖，用于盖住下区域。

所述反应罐由法兰口分割成盖子与罐体两个部分，其中盖子部分安装多个标准蓝盖瓶螺纹口，通过更换蓝盖瓶用瓶口配件实现多导管及pH计、温度探头传感器安装；罐体部分含水夹层，能通过通入恒流恒温水实现恒温功能，罐体外有一从内层罐体延伸出的连通器，能安装非接触式液位仪实现对管内液位高度的检测，实现对内层罐体液体容积的测定。

所述框架的背后分别预留有管路通道、220v电源线插座孔、散热风扇孔，其侧面预留有管路通道，其顶部平台上预留有管路通道，其底部预留有反应罐固定插销孔，用于固定反应罐位置。

所述功能模块的外形为立方体，大小有规范：高与长均为120mm，宽度根据模块实际设计需要，有3种基本类型：60mm、120mm、180mm。

所述框架为立置的长方体框架。

本发明所述模块化动物消化道体外模拟系统的人类肠道模拟方法，如下：

1)模型的建立

人体消化道模型包括胃、小肠、升结肠、横结肠和降结肠五个部分，每个部分的核心为反应罐；反应罐存储消化液及肠菌培养基，是模拟食物消化、肠菌生长以及场内各种物理和化学变化的场所；每个反应罐的水夹层均与恒温水浴相通实现37摄氏度恒温效果；在框架的上方，根据实验设计，安装多个功能模块：水温模块、液面高度控制模块、pH监控模块和蠕动泵模块；每个反应罐的蠕动由磁力搅拌模块的搅拌动作模拟；反应罐上部蓝盖瓶口安装多根导管用于消化液、NaOH、HCl液体的加入和取出，根据胃、小肠和大肠三部分的微生物生长条件不同，升结肠、横结肠和降结肠的pH值，通过pH监控模块加入稀释的HCl和NaOH用于调节；当前一个反应罐需要将反应液加入到下一个反应罐时，通过上位机发送命令到下位机蠕动泵模块实现反应液的自动转移；模型采用的食物液成分包括：阿拉伯半乳聚糖、淀粉、葡萄糖、胶质、木聚糖、蛋白胨、半胱氨酸、酵母提取物和粘液素；胃酸分成包括：盐酸和胃蛋白酶；小肠液成分包括：胆盐、胰酶和碳酸氢铵；

2)人体粪便微生物的提取及接种

将收集到新鲜的粪便，立即放入密封的带盖试管中以隔绝氧气，其后放置到一个37摄氏度水浴锅保温5min，称重；使用生理盐水加入到瓶子中，用磁力搅拌器搅拌粪便混合物4min后进行过滤，取粪便混合物100g，在1L培养基中进行厌氧条件预培养；24小时后，将100mL的预培养物通过已灭菌的纱布过滤除去大颗粒物后转移到一个厌氧罐中，得到已预培养的粪便菌群，该菌群用于人类肠道细菌定植；

3)硬件组装和运行

用户将硬件模块安装并连接到每个框架后，接上电源，模型待机；在上位机软件界面提示用户根据硬件模块实际情况选择框架数量；用户依次对每个框架进行容积、液体排空周期等内容的属性设置，然后向框架内添加所需功能模块，添加时，需要输入每个功能模块的名称；用户将功能模块添加完成后，上位机软件自动通过串口向每个功能模块询问其名称，从而实现将功能模块与上位机上的com口对应起来；

对pH模块和液面高度控制模块进行校准：①pH探头校准:初始化完毕，点击pH模块，有3个校准按钮，分别是pH4、pH7.01、PH9.18，用户将pH模块的pH探头冲洗干净，放入pH4标准缓冲液中，点击pH4按钮，即锁定pH4电压，重复此步，锁定pH7.01和9.18电压，实时pH值即为两点或三点连线上电压对应值；②液面高度计校准:初始化完毕后，点击液面高度控制模块，有一个液位高度电压校准按钮，用户将配好的培养基，放入标准试管中，不要装满试管，将高度计上对应的线正对液面，电压即为液位高度电压；

校准完毕后，对每个功能模块需要设置的运行参数进行设定，点击上位机软件界面上相应的模块控件即可对具体模块参数进行设置，在上位机软件中包含两种规定：逻辑关系和时间关系；逻辑关系指:系统运行后，每一定周期向各模块发出询问指令，根据应答及设定的各模块间逻辑关系进行判断和动作；时间关系指：系统点击开始运行后，以开始时间算作0小时0分0秒，所有运行时刻均以此时间作为参考。在设定好的时间，指定的模块将自动运行和停止；

设置好各个模块参数后，点击上位机软件界面的开始运行按钮，模型开始运行，如下：

首先胃模拟框架输入食物液，模拟胃部的框架中，食物液输入后，单蠕动泵模块将模拟胃液输入到反应罐中，输入完全后胃液pH值控制在1.5左右，磁力搅拌模块高速旋转模拟胃部物理消化作用；1h之后，胃模拟单元上的液面高度控制模块将胃液消化液转移到小肠模拟单元中，小肠模拟单元上的单蠕动泵同时输入小肠液，培养3个小时后全部转移到升结肠中，此时负责泵入稀释后人类粪菌的蠕动泵启动，将粪菌悬浊液泵入模拟升结肠的单元中，完成菌群与食物的混合；在模拟升结肠的单元中，停留预设时，液位高度控制模块将反应罐中的内容物整体转移到下一个反应罐中，以模拟菌群在大肠的每个阶段与食物产生的生化反应；整个模型通过充氮气来保持厌氧环境，通过空气组分控制模块来实现，此外，用户亦可添加自动采样模块，以实现自动定时采样，保存样品的功能；

4)生成运行数据

在模型运行完毕后，软件生成一份统计表，以检查运行记录及出现的问题。同时，所有运行参数可独立储存为配置文件，便于重复实验；此外，采样模块自动采集的样品，能够保留在-80摄氏度冰箱中，以待后续分析。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本模拟平台将软硬件的扩展性作为主要开发目标之一，以应对随该领域研究不断深入，功能与模块不断修改升级的需要。

2、可以快速使用本平台搭建多种消化道模拟模型，实现多模型的切换与比较，或者对已有模型进行快速的修改和升级，过程花费时间和成本很小。极大方便了各实验团队相互之间的实验结果的验证与重复，增加了实验结果的广泛接受程度。

3、具备极强的扩展性，搭建多种消化道模型。不仅可以模拟人类消化道，还可以模拟单胃及多胃动物的消化道，如鸡、牛、猪等，应用领域广泛。

4、统一了硬件规范，减少了由于硬件选择不同造成的差异积累。

5、框架内使用的功能模块，去处了冗余元件，并由独立控制芯片与上位机通信进行控制，增加了系统可靠性，减少了制造成本。功能模块可以热插拔和快速更换，做到不停机即可检查和更换故障模块。

6、多个模块被整合在框架中，节省了实验室空间，保持整洁一致的外观。内部密封，减少了外界污染的可能，减少实验难度。

7、首次提出本领域完整的上、下位机控制方案。

8、所有设置可以保存和分享，方便实验的重复，减少了多参数输入时可能的错误，减少了工作量。

9、建立了简单有效的通信协议，实现了在用户不编程的情况下，通过简单软件设置，控制现有以及尚未开发的模块的功能，极大方便第三方开发新功能模块。

附图说明

图1为本发明所述动物消化道体外模拟单元的立体图。

图2为本发明所述动物消化道体外模拟单元拆除密封盖后的立体图。

图3为本发明所述动物消化道体外模拟单元拆除密封盖后的主视图。

图4为本发明所述动物消化道体外模拟单元拆除密封盖后的后视图。

图5为本发明所述动物消化道体外模拟单元拆除密封盖后的侧视图。

图6为本发明所述动物消化道体外模拟单元拆除密封盖后的俯视图。

图7为本发明所述框架的立体图。

图8为本发明所述框架的主视图。

图9为本发明所述框架的后视图。

图10为本发明所述框架的侧视图。

图11为本发明所述框架的俯视图。

图12为本发明所述120×120×60mm功能模块(用于实现水温控制)的立体图。

图13为本发明所述120×120×120mm功能模块(用于实现pH控制)的立体图。

图14为本发明所述120×120×120mm功能模块(用于实现吹氮控制)的立体图。

图15为本发明所述120×120×120mm功能模块(用于实现液面高度控制)的立体图。

图16为本发明所述反应罐的整体剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图16所示，本实施例所述的模块化动物消化道体外模拟系统，包括至少一个动物消化道体外模拟单元，每个动物消化道体外模拟单元均包括有框架1、用于模拟特定消化道空腔的反应罐2及多个能完成肠道模拟中一个具体且相对独立任务的功能模块。所述框架1为立置的长方体框架，其内部区分为上、下两个区域，该上区域形成有多个模块安装位，所述功能模块可拆卸式装于相应模块安装位上，该下区域形成有至少一个反应罐安装位，所述反应罐2可拆卸式装于相应反应罐安装位上，所述框架的下部配置有密封盖36，用于盖住下区域，以确保系统密封性；该框架1提供功能模块的安装环境，不储存收集模块信息；所述框架1内输入电压为220V，其内部变压器为功能模块提供24V直流电源，该框架1上装有10孔USB有源集线器3，USB负责向功能模块内单片机供电以及上、下位机相互传输指令，该框架1的顶部设有用于放置试剂瓶4的平台5，所述平台5上形成有至少一个试剂瓶安装位37以及预留有管路通道10，所述试剂瓶4内装有酸/碱/酶等试剂；此外，所述框架1的背后还分别预留有管路通道11、220v电源线插座孔12、散热风扇孔13，其侧面预留有管路通道14，其底部设有多个反应罐固定插销孔，用于插装反应罐固定插销15。

所述功能模块为传感器或运动部件(如蠕动泵等)，或传感器与运动部件的综合体，完成肠道模拟中一个具体且相对独立任务，如下：

1)pH控制：控制pH值(7-14)，功能模块中的pH芯片收集pH电极电压，传给上位机，在达到上限时上位机启动蠕动泵注入稀释的碱液。

2)液面高度控制：控制反应罐内液体总体积，指定液面目标值、最小值、最大值，若液面低于最小值，则锁定蠕动泵不转；若液面高于最大值，则启动蠕动泵将反应罐内液体抽入下一反应罐，直到达到液面目标值，液位高度控制模块每1分钟询问应答一次，如需动作则2秒应答一次，直到动作解除。

3)水温控制：控制反应罐内液体温度，设定目标值、最大值、最小值，每分钟检测18B20传感器传回的温度，若温度低于最小值，则报警；若温度高于指定最大值，则断开继电器，以停止注入热水的水泵以防止过热。直到水温回复正常

4)气体组分控制(即吹氮控制)：检测容器内氧分压，自动通入氮气以排空氧气。使用氧气传感器，设定最大值，定时打开抽气泵进行气体采样，采样过程为抽气泵(继电器控制)运行20秒后等待10秒；检测氧气传感器传回的氧气浓度信息，若高于最大值，则自动打开电控氮气阀(继电器控制)进行吹氮工作，吹氮过程为30秒，吹氮工作完成后，重新采样检测，若氧气浓度已低于最大值，则回到定时采样检测中，若高于最大值，则重复吹氮工作，若3次吹氮工作均无法使氧气含量回归正常数值，则报警；正常情况下10分钟询问应答一次。

5)自动采样：定时从反应罐中自动采集样品到不同试管中，并冷冻；设定某一时间运行，采样泵的速度，第几个继电器闭合(夹管阀式采样器)。

6)磁力搅拌：模拟不同强度的物理搅拌作用，能随周期更改运行速度和方向。

7)单向蠕动泵模拟：向反应罐中定时输入指定量的液体，如用于模拟胃液或小肠液的混合溶液。

8)pH双控制：控制pH值(0-14)，指定需要到达的pH目标值、最小值、最大值，若pH低于最小值或高于最大值，启动蠕动泵，朝反应容器中注入NaOH或者HCl，5秒钟询问一次pH值，连续3次采样达到目标值后，停止蠕动泵；pH模块每1分钟询问应答一次，如需要动作则2秒应答一次，直到动作解除。

9)铵浓度检测：检测反应罐中的铵离子浓度。

10)透析控制：将一部分无机盐通过透析的方式分离出反应罐。

11)吸光度比较：实时检测溶液的浊度变化。

12)检测细菌浓度：实时检测培养液透明度的改变，并转化为细菌浓度值。

与传统仪器部件相比，本功能模块具有下列特点：1、独立：能完成某个具体任务，不需要其它部件的参与。2、整合：模块同时含有传感器和运动部件。

所述功能模块的外形为立方体，大小有规范：高与长均为120mm，宽度根据模块实际设计需要，有3种基本类型：60mm、120mm、180mm，即有120×120×60mm、120×120×120mm、120×120×180mm三种规格大小的功能模块，为图中的6、16、17、18，其中，6为120×120×60mm规格大小的功能模块，在本实施例中用于完成水温控制，如图12所示；16为120×120×120mm规格大小的功能模块，在本实施例中用于完成pH控制，如图13所示；17为120×120×120mm规格大小的功能模块，在本实施例中用于完成吹氮控制，如图14所示；18为120×120×180mm规格大小的功能模块，在本实施例中用于完成液面高度控制，如图15所示。不同尺寸模块可混合安装于框架1上，安装不需要螺丝，只需握住功能模块上的把手7将模块推入框架1上的相应模块安装位处，且推入后模块通过其上的定位磁铁(图中未画出)即可固定在框架1上。所述功能模块的背后开设有24V直流电源插座孔8和USB TypeB插座孔9。每个功能模块由单独的Arduino nano 328作为控制芯片，通过USB串口接收上位机指令，USB同时对控制芯片进行供电，连接USB电源而未连接上位机时也能通过模块上的物理按钮使用预设的强制手动功能，便于调试，而连接上位机(电脑)并完成初始化的功能模块能根据指令完成指定功能；上位机通过USB串口发送给每个下位机的命令，为ACSII明码指令，指令以大写字母打头，表示指令类型，紧跟一位阿拉伯数字的参数，多个子指令由逗号隔开，如S1，D9，Y07.11；子指令执行顺序不分先后，指令从功能上分为：1、动作指令集，功能模块的单片机接收到动作指令后按照参数运行每个动作部件；2、询问指令集，单片机接收到询问指令后产生应答，向上位机报告每个部件运行状态，或者功能模块基本情况，询问指令无参数，动作指令和询问指令能够同时混合发出，但动作指令应在询问指令之前，以确保下位机汇报的是已更改后的状态，下位机接收到USB串口接收到询问指令后发出应答，报告功能模块信息，上位机收集应答后判断下一步指令，应答的格式与动作指令定义相同，如报告速度为3，即向上位机发出S3信息。指令的实现过程由功能模块内部的单片机进行翻译解析完成，上位机不负责具体实现过程，单片机的固化程序，以Arduino专用语言(类C)通过USB串口写入；不同功能模块对应不同固件，固件通过接收上位机指令，控制各部件完成功能模块所需要完成的任务，每个功能模块内包含完成模块任务所需要的电子或者机械元件，包括单片机、指示灯、蜂鸣器、LCD液晶屏、控制板、继电器、传感器、步进电机等。单片机根据接收到的指令，按照程序转换为这些元件运行所需脉冲信号，完成特定的动作。如上位机向蠕动泵发出具体的速度命令S1，单片机将命令拆解翻译为“速度为1”，产生对应频率的PWM脉冲，脉冲控制蠕动泵步进电机以规定的速度和方向运行指定角度和时间，蠕动泵头即向反应罐2中泵入一定量的试剂。

所述反应罐2用于模拟特定消化道的空腔，可以有多种容积型号，也可以具有可变容积，该反应罐2由法兰口分割成盖子与罐体两个部分，其中，所述盖子部分安装有多个标准蓝盖瓶螺纹口，通过更换蓝盖瓶用瓶口配件实现多导管及pH计、温度探头传感器等部件安装，所述罐体部分为含水夹层，能通过通入恒流恒温水实现恒温功能，罐体外有一从内层罐体延伸出的连通器，能安装非接触式液位仪实现对管内液位高度(体积)的检测，进而实现对内层罐体液体容积的测定，如图5所示，图中19为、20为氮气入口、21为碱性缓冲液、22为酸性缓冲液、23为氮气出口、24为、25为温度感应器引出、26为PH感应器引出、27为珐琅口金属夹、28为恒温水出口、29为恒温水入口、30为连通器通气口、31为液面感应器、32为PH探头、33为温度感应器、34为浊度感应器、35为搅拌器磁子。

以下为基于上述模块化动物消化道体外模拟系统实现的人类肠道模拟，其具体情况如下：

1)模型的建立

人体消化道模型包括胃、小肠、升结肠、横结肠和降结肠五个部分，每个部分的核心为反应罐；反应罐存储消化液及肠菌培养基，是模拟食物消化、肠菌生长以及场内各种物理和化学变化的场所；每个反应罐的水夹层均与恒温水浴相通实现37摄氏度恒温效果；在框架的上方，根据实验设计，选择安装需要的功能模块，包括有水温模块、液面高度控制模块、pH监控模块和蠕动泵模块；每个反应罐的蠕动由磁力搅拌模块的搅拌动作模拟；反应罐头部有若干孔用于消化液、NaOH、HCl液体的加入和取出，根据胃、小肠和大肠三部分的微生物生长条件不同，升结肠、横结肠和降结肠的pH值，通过pH监控模块加入HCL(0.05M)和NaOH(0.05M)，每一个肠段的pH值及容积控制参数设置如下表1。

表1

模拟

体积(L)

时长(Hr)

PH

温度

进液

出液

胃

0.2

2

2.0-2.5

37℃

间隔

间隔

小肠

0.3

6

5.0-6.0

37℃

间隔

间隔

升结肠

0.7

18

5.5-6.0

37℃

间隔

连续

横结肠

1.3

36

6.0-6.4

37℃

连续

连续

降结肠

0.8

22

6.6-6.9

37℃

连续

间隔

当前一个反应罐需要将反应液加入到下一个反应罐时，通过上位机发送命令到下位机蠕动泵模块实现反应液的自动转移；模型采用的食物液成分包括：阿拉伯半乳聚糖、淀粉、葡萄糖、胶质、木聚糖、蛋白胨、半胱氨酸、酵母提取物和粘液素；胃酸分成包括：盐酸和胃蛋白酶；小肠液成分包括：胆汁盐、胰酶和碳酸氢铵。

2)人体粪便微生物的提取及接种

将收集到新鲜的粪便(提供粪便者正常饮食，没有消化疾病及至少3个月没服用抗生素)，立即放入密封的带盖试管中以隔绝氧气，其后放置到一个37摄氏度水浴锅保温5min，称重；使用生理盐水加入到分辨瓶子中，用磁力搅拌器搅拌粪便混合物4min后进行过滤，取粪便混合物100g，在1L培养基中进行厌氧条件预培养；24小时后，将100mL的预培养物通过已灭菌的纱布过滤除去大颗粒物后转移到一个厌氧罐中，得到已预培养的粪便菌群，该菌群可用于人类肠道细菌定植。

3)硬件组装和运行

用户将硬件模块安装并连接到每个框架后，接上电源，模型待机；在上位机软件界面提示用户根据硬件模块实际情况选择框架数量；用户依次对每个框架进行容积、液体排空周期进行设置，然后向框架内添加所需功能模块，添加时，需要输入每个功能模块的名称；用户将功能模块添加完成后，上位机软件自动通过串口向每个功能模块询问其名称，从而实现将功能模块与上位机上的com口对应起来。

对pH模块和液面高度控制模块进行校准：①pH探头校准:初始化完毕，点击pH模块，有3个校准按钮，分别是pH4、pH7.01、PH9.18，用户将pH模块的pH探头冲洗干净，放入pH4标准缓冲液中，点击pH4按钮，即锁定pH4电压，重复此步，锁定pH7.01和9.18电压，实时pH值即为两点或三点连线上电压对应值；②液面高度计校准:初始化完毕后，点击液面高度控制模块，有一个液位高度电压校准按钮，用户将配好的培养基，放入标准试管中，不要装满试管，将高度计上对应的线正对液面，电压即为液位高度电压。

校准完毕后，对每个功能模块需要设置的运行参数进行设定，点击上位机软件界面上相应的模块控件即可对具体模块参数进行设置，在上位机软件中包含两种规定：逻辑关系和时间关系；逻辑关系指:系统运行后，每一定周期向各模块发出询问指令，根据应答及设定的逻辑关系进行动作；时间关系指：系统点击开始运行后，以开始时间算作0小时0分0秒，所有运行时刻均以此时间作为参考。

每个框架内每个模块具体参数设定为：①pH模块与液面高度控制模块:和模型中；②水温模块:37摄氏度；③空气组分控制模块:氧分压大于1％即进行吹氮；④单蠕动泵模块:食物进入模拟胃的反应罐后，连续注入200ml模拟胃液或小肠液；⑤磁力搅拌器模块：200RPM长时间运行。

设置好各个模块参数后，点击上位机软件界面的开始运行按钮，模型开始运行，如下：

首先胃模拟框架输入食物液，模拟胃部的框架中，食物液输入后，单蠕动泵模块将模拟胃液输入到反应罐中，输入完全后胃液pH值控制在1.5左右，磁力搅拌模块高速旋转模拟胃部物理消化作用；1h之后，胃模拟单元上的液面高度控制模块将胃液消化液转移到小肠模拟单元中，小肠模拟单元上的单蠕动泵同时输入小肠液，培养3个小时后全部转移到升结肠中，此时负责泵入稀释后人类粪菌的蠕动泵启动，将粪菌悬浊液泵入模拟升结肠的单元中，完成菌群与食物的混合(菌群定植)；在模拟升结肠的单元中，停留预设时，液位高度控制模块将反应罐中的内容物整体转移到下一个反应罐中，以模拟菌群在大肠的每个阶段与食物产生的生化反应；整个模型通过充氮气来保持厌氧环境，通过空气组分控制模块来保证，此外，用户亦可添加自动采样模块，以实现自动定时采样。

4)生成运行数据

在模型运行完毕后，软件可以生成一份统计表，以检查运行的情况及出现的问题。同时，运行参数可以独立储存为配置文件，此配置文件也可以在其它安装了本软件的电脑上进行读取，并成为其配置文件。采样模块自动采集的样品，可保留在-80摄氏度冰箱中，以待后续分析。

此外，在模型运行过程中，如果需要加入或者更改模块，仅需将整个模型暂停，对具体硬件模块进行更改，再在上位机上更改相应模块，即可在保持之前参数的情况下重新启动模型。在运行过程中，可以手动强制停止整个模型的运行。数据实时保存,不会因为掉电或死机造成丢失。掉电或者死机造成重启后，可以自动根据最后的运行状态以及配置文件，继续运行。

以上所述实施例子只为本发明较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：包括至少一个动物消化道体外模拟单元，每个动物消化道体外模拟单元均包括有框架、用于模拟特定消化道空腔的反应罐及多个能够完成肠道模拟中一个具体且相对独立任务的功能模块，其中，所述框架上设有多个用于安装功能模块以及反应罐的安装位，且所述功能模块和反应罐可拆卸装于该框架上；每个功能模块由单独的Arduino nano 328作为控制芯片，通过USB串口接收上位机指令，USB同时对控制芯片进行供电，连接USB电源而未连接上位机时也能通过模块上的物理按钮使用预设的强制手动功能，以用于调试，而连接上位机并完成初始化的功能模块能根据指令完成指定功能；上位机通过USB串口发送给每个下位机的命令，为可扩展的ACSII明码指令，指令以大写字母打头，表示指令类型，紧跟一位阿拉伯数字的参数，多个子指令由逗号隔开，子指令执行顺序不分先后，指令从功能上分为：1、动作指令集，功能模块的单片机接收到动作指令后按照参数运行每个动作部件；2、询问指令集，单片机接收到询问指令后产生应答，向上位机报告每个部件运行状态，或者功能模块基本情况，询问指令无参数，动作指令和询问指令能够同时混合发出，但动作指令应在询问指令之前，以确保下位机汇报的是已更改后的状态，下位机接收到USB串口接收到询问指令后发出应答，报告功能模块信息，上位机收集应答后判断下一步指令，应答的格式与动作指令定义相同；

指令的实现过程由功能模块内部的单片机进行翻译解析完成，上位机不负责具体实现过程，单片机的固化程序，以Arduino专用语言通过USB串口写入；不同功能模块对应不同固件，固件通过接收上位机指令，控制各部件完成功能模块所需要完成的任务，每个功能模块内包含完成模块任务所需要的电子或者机械元件，单片机根据接收到的指令，按照程序转换为这些元件运行所需脉冲信号，完成特定的动作。

2.根据权利要求1所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述功能模块包含传感器或运动部件，或同时包含二者；一个功能模块能实现以下功能之一：

1)pH控制：控制pH值，功能模块中的pH芯片收集pH电极电压，传给上位机，在达到上限时上位机启动蠕动泵注入稀释的碱液；

2)液面高度控制：控制反应罐内液体总体积，指定液面目标值、最小值、最大值，若液面低于最小值，则锁定蠕动泵不转；若液面高于最大值，则启动蠕动泵将反应罐内液体抽入下一反应罐，直到达到液面目标值；

3)水温控制：控制反应罐内液体温度，设定目标值、最大值、最小值，检测传感器传回的温度，若温度低于最小值，则报警；若温度高于指定最大值，则断开继电器以停止循环泵向水夹层内注入热水；

4)气体组分控制：检测容器内氧分压，自动通入氮气以排空氧气，使用氧气传感器，设定最大值，定时打开抽气泵进行气体采样，检测氧气传感器传回的氧气浓度信息，若高于最大值，则自动打开电控氮气阀进行吹氮工作，吹氮工作完成后，重新采样检测，若已低于最大值，则回到定时采样检测中，若高于最大值，则重复吹氮工作，若多次吹氮工作均无法使氧气含量回归正常数值，则报警；

5)自动采样：定时从反应罐中自动采集样品到不同试管中，并冷冻；

6)磁力搅拌：模拟不同强度的物理搅拌作用，能随周期更改运行速度和方向；

7)单向蠕动泵模拟：向反应罐中定时输入指定量的液体；

8)pH双控制：控制pH值，指定需要到达的pH目标值、最小值、最大值，若pH低于最小值或高于最大值，启动蠕动泵，朝反应容器中注入稀释的碱液或者酸液，达到目标值后，停止蠕动泵；

9)铵浓度检测：检测反应罐中的铵离子浓度；

10)透析控制：将一部分无机盐通过透析的方式分离出反应罐；

11)吸光度比较：实时检测溶液的浊度变化；

12)检测细菌浓度：实时检测培养液透明度的改变，并转化为细菌浓度值。

3.根据权利要求1所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述框架内输入电压为220V，其内部变压器为功能模块提供24v直流电源，该框架上装有USB有源集线器，USB负责向功能模块内单片机供电以及上下位机相互传输指令，该框架的顶部设有用于放置试剂瓶的平台，所述平台上形成有至少一个试剂瓶安装位。

4.根据权利要求1所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述功能模块上分别设有定位磁铁、把手、24v直流电源插座孔、USB TypeB插座孔，握住把手能够将模块推入框架上的相应安装位，且推入后模块通过其上的定位磁铁固定在框架上。

5.根据权利要求1所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述功能模块以及反应罐的安装位设在框架的内部，该框架的内部区分为上、下两个区域，功能模块的安装位集中于上区域，反应罐的安装位集中于下区域；所述框架的下部配置有密封盖，用于盖住下区域。

6.根据权利要求1所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述反应罐由法兰口分割成盖子与罐体两个部分，其中盖子部分安装多个标准蓝盖瓶螺纹口，通过更换蓝盖瓶用瓶口配件实现多导管及pH计、温度探头传感器安装；罐体部分为含水夹层，能通过通入恒流恒温水实现恒温功能，罐体外有一从内层罐体延伸出的连通器，能安装非接触式液位仪实现对管内液位高度的检测，实现对内层罐体液体容积的测定。

7.根据权利要求3所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述框架的背后分别预留有管路通道、220v电源线插座孔、散热风扇孔，其侧面预留有管路通道，其顶部平台上预留有管路通道，其底部预留有反应罐固定插销孔。

8.根据权利要求1所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述功能模块的外形为立方体，大小有规范：高与长均为120mm，宽度根据模块实际设计需要，有3种基本类型：60mm、120mm、180mm。

9.根据权利要求1所述的一种模块化动物消化道体外模拟系统，其特征在于：所述框架为立置的长方体框架。

10.一种权利要求1至9任一项所述模块化动物消化道体外模拟系统的人类肠道模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)模型的建立

人体消化道模型包括胃、小肠、升结肠、横结肠和降结肠五个部分，每个部分的核心为反应罐；反应罐存储消化液及肠菌培养基，是模拟食物消化、肠菌生长以及场内各种物理和化学变化的场所；每个反应罐的水夹层均与恒温水浴相通实现37摄氏度恒温效果；在框架的上方，根据实验设计，安装多个功能模块：水温模块、液面高度控制模块、pH监控模块和蠕动泵模块；每个反应罐的蠕动由磁力搅拌模块的搅拌动作模拟；反应罐上部蓝盖瓶口安装多根导管用于消化液、NaOH、HCl液体的加入和取出，根据胃、小肠和大肠三部分的微生物生长条件不同，升结肠、横结肠和降结肠的pH值，通过pH监控模块加入稀释的HCl和NaOH用于调节；当前一个反应罐需要将反应液加入到下一个反应罐时，通过上位机发送命令到下位机蠕动泵模块实现反应液的自动转移；模型采用的食物液成分包括：阿拉伯半乳聚糖、淀粉、葡萄糖、胶质、木聚糖、蛋白胨、半胱氨酸、酵母提取物和粘液素；胃酸分成包括：盐酸和胃蛋白酶；小肠液成分包括：胆盐、胰酶和碳酸氢铵；

2)人体粪便微生物的提取及接种

为模拟人肠道内菌群，将收集到新鲜的粪便，立即放入密封的带盖试管中以隔绝氧气，其后放置到一个37摄氏度水浴锅保温5min，称重；使用生理盐水加入到瓶子中，用磁力搅拌器搅拌粪便混合物4min后进行过滤，取粪便混合物100g，在1L培养基中进行厌氧条件预培养；24小时后，将100mL的预培养物通过已灭菌的纱布过滤除去大颗粒物后转移到一个厌氧罐中，得到已预培养的粪便菌群，该菌群用于人类肠道细菌定植；

3)硬件组装和运行

用户将硬件模块安装并连接到每个框架后，接上电源，模型待机；在上位机软件界面提示用户根据硬件模块实际情况选择框架数量；用户依次对每个框架进行容积、液体排空周期的属性设置，然后向框架内添加所需功能模块，添加时，需要输入每个功能模块的名称；用户将功能模块添加完成后，上位机软件自动通过串口向每个功能模块询问其名称，从而实现将功能模块与上位机上的com口对应起来；

对pH模块和液面高度控制模块进行校准：①pH探头校准:初始化完毕，点击pH模块，有3个校准按钮，分别是pH4、pH7.01、PH9.18，用户将pH模块的pH探头冲洗干净，放入pH4标准缓冲液中，点击pH4按钮，即锁定pH4电压，重复此步，锁定pH7.01和9.18电压，实时pH值即为两点或三点连线上电压对应值；②液面高度计校准:初始化完毕后，点击液面高度控制模块，有一个液位高度电压校准按钮，用户将配好的培养基，放入标准试管中，不要装满试管，将高度计上对应的线正对液面，电压即为液位高度电压；

校准完毕后，对每个功能模块需要设置的运行参数进行设定，点击上位机软件界面上相应的模块控件即可对具体模块参数进行设置，在上位机软件中包含两种规定：逻辑关系和时间关系；逻辑关系指:系统运行后，每一定周期向各模块发出询问指令，根据应答及设定的各模块间逻辑关系进行判断和动作；时间关系指：系统点击开始运行后，以开始时间算作0小时0分0秒，所有运行时刻均以此时间作为参考，在设定好的时间，指定的模块将自动运行和停止；

设置好各个模块参数后，点击上位机软件界面的开始运行按钮，模型开始运行，如下：

首先胃模拟框架输入食物液，模拟胃部的框架中，食物液输入后，单蠕动泵模块将模拟胃液输入到反应罐中，输入完全后胃液pH值控制在1.5，磁力搅拌模块高速旋转模拟胃部物理消化作用；

1h之后，胃模拟单元上的液面高度控制模块将胃液消化液转移到小肠模拟单元中，小肠模拟单元上的单蠕动泵同时输入小肠液，培养3个小时后全部转移到升结肠中，此时负责泵入稀释后人类粪菌的蠕动泵启动，将粪菌悬浊液泵入模拟升结肠的单元中，完成菌群与食物的混合；在模拟升结肠的单元中，停留预设时，液位高度控制模块将反应罐中的内容物整体转移到下一个反应罐中，以模拟菌群在大肠的每个阶段与食物产生的生化反应；

整个模型通过充氮气来保持厌氧环境，通过空气组分控制模块来实现，此外，用户亦可添加自动采样模块，以实现自动定时采样，保存样品的功能；

4)生成运行数据

在模型运行完毕后，软件生成一份统计表，以检查运行记录及出现的问题，同时，所有运行参数独立储存为配置文件，便于重复实验；此外，采样模块自动采集的样品，能够保留在-80摄氏度冰箱中，以待后续分析。