CN108240914A - 小动物烟气吸入微环境制备系统 - Google Patents

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侯琦
马培
白金叶
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Abstract

小动物烟气吸入微环境制备系统属于生物、环境医学研究科研仪器技术领域，用于模拟呼吸吸入微环境，制备小动物呼吸系统疾病模型，包括慢性阻塞性肺疾病模型、哮喘模型、支气管炎症模型、PM2.5吸入损伤模型以及模型抗原或药物吸入损伤模型。具体技术方案如下：本系统由微环境箱体、主控制箱、模型制备装置以及排风装置。工作时，由注入泵将模型制备装置中产生的烟雾、或含PM2.5空气、或含抗原(或药物)空气注入微环境箱，并通过测控电路实现实时监测，根据设定限值实时反馈调控微环境箱体中的微环境。本发明制备的吸入微环境具有指标控制准确、稳定性及重复性高等优点，而且具有多用途的特点，有效节省仪器设备实验成本。

Description

小动物烟气吸入微环境制备系统
技术领域
本发明专利涉及一种小动物烟气吸入微环境制备系统，用于模拟小动物呼吸吸入微环境，制备小动物慢性阻塞性肺疾病(COPD)、哮喘、支气管炎症、PM2.5吸入气道损伤、模型药物或抗原雾化吸入引发呼吸系统疾病模型；并可用于治疗药物雾化吸入药效研究，属于生物与医学科研仪器技术领域。
背景技术
呼吸系统疾病(主要包括哮喘和COPD等)已成为当前中国人口死亡的十大死因之一，其中就COPD而言，全国每年因其死亡人数就高达128万。而且，受日益严重的大气环境污染(尤其是PM2.5)、吸烟以及人口老龄化等因素的影响，COPD和哮喘等呼吸系统疾病的发病率仍在逐年升高，已严重危害人类健康，给社会和家庭造成沉重的负担。当前，COPD和哮喘等呼吸系统疾病的确切病因和发病机理至今尚未完全清楚，一直以来建立一种和人类病理生理改变和临床特征相似的COPD、哮喘以及PM2.5引发气道炎症的动物模型有效服务于疾病发病机理及药物治疗研究，成为全球呼吸系统科研工作者研究和关注的焦点。然而，当前模型建立吸入呼吸系统损伤疾病模型如COPD模型方法有有口鼻式暴露系统和全身式暴露(即最常见的熏烟箱或盒)两种，口鼻式暴露系统采用塔式腔室结构，暴露仓内空气流动性较好、烟气更均一等特点，但是，该方式烟气浓度数值未能准确监测、同时平行实验动物数量有限以及设备费用相对较昂贵；熏烟箱或熏烟盒的通气性和气体质量较差，也不易进行精密参数的控制和监测，存在重复性差、缺少标准化的程序和计量等不足，不过由于其结构较简单，操作容易操作，价格相对较低廉，甚至可以自制，所以是目前国内实验室最常见的。因此，为了有效模拟呼吸吸入微环境(指标控制准确、数值可监测)以及建立稳定性及重复性高的呼吸系统疾病损伤模型，设计一种适合通过吸入方式建立呼吸系统疾病损伤模型(主要包括COPD、哮喘、PM2.5气道损伤模型以及模型抗原或药物雾化吸入呼吸系统疾病模型)的小动物烟气吸入微环境制备系统，对COPD、哮喘及PM2.5气道损伤等呼吸系统疾病发病机理及治疗药物的开发研究具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于上述技术背景，本发明解决的技术问题是提供一种小动物烟气吸入微环境制备系统，该系统可根据不同呼吸系统疾病模型的制备需求，由注入泵将香烟点燃装置产生的烟雾、或PM2.5超声雾化装置产生的含PM2.5气体、或经造模药物(或抗原)超声雾化装置产生的含造模药物(或抗原)雾化气体注入微环境箱体中，而且由系统中测控电路通过一种或多种传感模型块监测、主控制板的数据换算后实时显示于显示屏上；并通过参数设置按钮对各传感模块数值的上下限进行设定，反馈调控微环境箱体中吸入微环境。
为解决本发明的技术问题，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种小动物烟气吸入微环境制备系统，包括：微环境箱体、主控制箱、模型建立装置以及排风装置。
所述的小动物烟气吸入微环境制备系统还包括治疗药物超声雾化给药装置。
所述微环境箱体中装有CO传感器、O2传感器、温度传感器以及湿度传感器的一种或多种传感器的组合、照明LED灯、空气混匀风扇、排风接口。所述的多种包括两种、三种、四种。
所述微环境箱体中还装有烟雾传感器、PM2.5传感器、造模抗原雾化气雾传感器以及造模药物雾化气雾传感器的任意一种或两种或多种传感器的组合。所述的多种包括两种、三种或四种。
所述微环境箱体中还设置有烟雾注入口、PM2.5空气注入口、造模抗原雾化气雾注入口以及造模药物雾化气雾注入口的一种或多种注入口的组合。所述的多种包括两种、三种或四种。
所述的微环境箱体中还装有治疗药物雾化气雾传感器、治疗药物雾化气雾注入口。
所述主控制箱中装有测控电路、电源、电源开关、泵开关、O2电磁阀。
所述主控制箱中还装有烟雾注入泵、PM2.5雾化气体注入泵、造模抗原注入泵、造模药物注入泵的一种或多种组合。所述的多种包括两种、三种或四种。
所述的主控制箱中还装有治疗药物注入泵。
所述主控制箱中测控电路由主控制板、传感模块、显示屏和参数设置按钮组成。其控制程序为基于51单片机原理编制，实现对传感模块所监测数据的实时分析和反馈，根据设定限值实时控制微环境箱体中吸入微环境；并可外接电脑，实现监测数据的输出和保存。
所述模型建立装置由香烟点燃装置、PM2.5超声雾化装置、造模药物超声雾化装置、造模抗原超声雾化装置中的一种或或多种组成。所述的多种包括两种、三种或四种。
所述O2电磁阀，包括：O2浓度传感模块及外接氧气瓶，可根据设定微环境箱体中氧气浓度限值，低于设定限值时，自动向箱体中输入氧气，避免动物因低氧引起损伤而产生的实验偏差。
上述传感模块可根据实验目的，装配任意一种或两种或多种传感器的组合：烟雾传感器、CO传感器、O2传感器、温度传感器以及湿度传感器组合用于烟雾引发呼吸系统疾病损伤模型的建立；PM2.5传感器、温度传感器以及湿度传感器用于PM2.5吸入引发呼吸系统疾病损伤模型的建立；造模抗原雾化气雾传感器或造模药物雾化气雾传感器用于造模抗原(或药物)吸入引发呼吸系统疾病损伤模型的建立；此外，治疗药物雾化气雾传感器可用于呼吸系统疾病治疗药物雾化吸入治疗的药效评价研究。
上述主控制箱中的烟雾注入泵、PM2.5雾化气体注入泵、造模抗原注入泵、造模药物注入泵、治疗药物注入泵，由耐油膈膜气体泵组成，烟雾、雾化气体输入过程中，具有低噪音、气体注入快速稳定的特点，避免噪音惊吓动物以及气体注入不稳定造成微环境不稳定使实验结果产生误差。
所述主控制箱中排风装置，包括：排风机、开闭阀以及管路组成，可通过开闭阀控制微环境箱，实验中关闭，避免箱体中气体浓度迅速改变；实验结束，打开，并通过风机将箱体中残留气体排出室外，防止有害气体对实验人员的健康损害。
所述香烟点燃装置，包括：点烟口、烟灰接收盘以及通风装置组成，香烟点燃时，由烟灰接收盘收集烟灰、通风装置将外环境产生烟雾排出室外，避免对实验环境二手烟的污染。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
1.在本发明的香烟烟雾吸入实验装置技术领域，当前已经有了较多的实验装置(有口鼻式暴露装置和熏烟箱或熏烟盒装置)，但是，口鼻式暴露装置存在烟气浓度数值未能准确监测、同时平行实验动物数量有限以及设备费用相对较昂贵的不足，熏烟箱或熏烟盒装置存在通气性和气体质量较差、不易进行精密参数的控制和监测、重复性差、缺少标准化的程序和计量等不足。本发明提供的小动物烟气吸入微环境制备系统，通过测控电路中烟雾传感模块实时监测微环境箱中烟气浓度，并基于51单片机原理编制控制程序，实现对传感模块所监测数据的实时分析和反馈，根据设定限值实时控制微环境箱体中吸入微环境，具有吸入微环境烟气浓度准确可控、制备烟气吸入动物模型稳定性及重复性高的特点，而且可实现多组动物的平行造模型，避免模型建立条件的组间差异；而且，本发明引入O2浓度监测及自动注入程序，可有效调节烟雾注入时微环境低氧引起的动物损伤，避免实验模型条件外损伤引起的偏差。
2.在本发明的PM2.5吸入实验装置技术领域，当前主要有口鼻式暴露装置，但是，口鼻式暴露装置存在平行实验动物数量有限以及设备费用相对较昂贵，而且PM2.5吸入浓度数值未准确控制的不足。本发明提供的小动物烟气吸入微环境制备系统，通过测控电路中PM2.5传感模块实时监测微环境箱中PM2.5浓度，并通过控制程序，实现对PM2.5传感模块所监测数据的实时分析和反馈，根据设定限值实时控制微环境箱体中PM2.5吸入微环境，具有吸入微环境烟气浓度准确可控、可实现多组动物的平行造模型，避免模型建立条件的组间差异。
3.本发明在实现烟气、PM2.5吸入损伤模型建立的同时，集成造模抗原、造模药物及治疗药物超声雾化装置及传感模块，可用于造模抗原、造模药物吸入模型的建立以及治疗药物吸入后疾病治疗效果的评价研究。较现有超声雾化吸入装置，本发明装有的传感模块对雾化吸入气雾浓度可实现实时准确控制，对动物药物吸入量的控制更为准确。
4.本发明具有多用途的特点，避免呼吸系统疾病研究过程中因疾病、损伤因子、治疗因素不同而需要配备不同仪器设备，有效节省仪器设备实验成本；而且，本发明可根据实验目的不同，安装不同传感模块，实验操作简便且人性化。
附图说明
为更清楚的说明本发明实验例的技术方案，将实施例中所需要使用的附图作简单的介绍。以下附图仅出示了本发明的某些主要实施例，因此不应视为对本发明范围的任何限定。
图1出示了本发明所提供小动物烟气吸入微环境制备系统的整体结构示意图；
图2出示了本发明所提供小动物烟气吸入微环境制备系统中微环境箱体的结构示意图；
图3出示了本发明所提供小动物烟气吸入微环境制备系统中主控制箱的简易结构图；
图4出示了本发明所提供小动物烟气吸入微环境制备系统中测控电路原理示意图。
附图标记：(1-1)微环境箱体；(1-2)主控制箱；(1-3)超声雾化器；(1-4)香烟点燃平台；(1-5)排风装置；(2-1)烟雾传感器；(2-2)PM2.5传感器；(2-3)抗原(药物)雾化气雾传感器；(2-4)CO传感器；(2-5)O2传感器；(2-6)温度传感器；(2-7)湿度感应器；(2-8)照明LED灯；(2-9)空气混匀风扇；(2-10)烟雾注入口；(2-11)PM2.5空气注入口；(2-12)抗原(药物)雾化气雾注入口；(2-13)排风接口；(3-1)测控电路主控制板；(3-2)电源；(3-3)烟雾注入泵；(3-4)PM2.5注入泵；(3-5)抗原(药物)雾化气雾注入泵；(3-6)O2电磁阀；(3-7)电源开关；(3-8)泵开关；(3-9)参数设置按钮；(3-10)显示屏；(4-1)测控电路主控制板示例；(4-2)传感模块；(4-3)显示屏显示示例；(4-4)参数设置按钮示例。
具体实施方式
以下实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述和说明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1 香烟烟雾吸入微环境制备及其用于COPD气道炎症模型的建立
吸烟或被动吸烟是危害人体健康的重要因素，由吸烟引发呼吸、心脑血管疾病也是现代医学研究的热点。香烟吸入引发小动物疾病模型的稳定建立是相关疾病致病机理研究和治疗药物开发研究基础条件。基于此，本发明中小动物烟气吸入微环境制备系统可用于小动物(小鼠、大鼠及豚鼠)香烟烟雾吸入引发呼吸系统、心脑血管系统等疾病模型的建立，该系统具有烟雾分布稳定均一、浓度准确可控、吸入微环境重复性高的特点，且可实现多组动物的同时造模型，有效保证不同组间动物吸入损伤的一致性。下面将于COPD气道炎症为例，详细说明本发明用于香烟烟雾吸入微环境的制备及应用。
1)打开主控制箱电源，待烟雾感应器监测微环境箱中数值稳定，置零；同时，设定好烟雾浓度报警值(低于设定下限值或高于上限值时亮红灯，处于设定值区间时亮绿灯)。
2)设定氧气浓度值(低于18.0时，电磁气阀自动打开，输入氧气；达到18.0以上时，自动关闭)；设定CO报警值，高于设定值时，打开排风装置排风。
3)设定温度、湿度报警值，当达到目标温度和温度时，打开排风装置，并通过输入气泵输入低温干燥空气调节。
4)设定完毕后，将动物放入微环境箱内，关闭仓门及排风系统。
5)于香烟点燃装置点燃香烟(可同时点1-8支)，打开主控制箱中烟气注入泵，向微环境箱中输入香烟烟气，达到烟雾设定值时，关闭注入泵。
6)动物于微环境箱体中自主呼吸，吸入均质烟气一定时间造模型实验。
7)动物造模型结束后，打开排风系统，通过管路排尽微环境箱中残留烟气，取出动物，关闭电源。
本发明制备烟气微环境浓度均一、准确可控，能有效控制低氧、高温等因素对模型的干扰；所制备COPD等疾病模型成功率高，且模型稳定、重复性好。
实施例2 OVA等抗原抗原雾化吸入微环境的制备及其应用于哮喘气道炎症模型的建立
哮喘是目前临床上最常见的呼吸系统疾病之一，已严重威胁人类健康，且受环境等因素的影响，其发病率仍在逐年上升，预计到2025年全球哮喘患者将高达4亿。吸入抗原是哮喘发生、发展中占重要位置，环境中的抗原吸入后刺激机体产生大量的IgE，而这些抗原特异性的IgE结合到肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的FcεRⅠ上，激活肥大细胞，引起脱颗粒反应以及释放生物活性炎症介质。因此，抗原吸入是建立动物哮喘模型的重要方法，雾化吸入是当前哮喘动物模型建立的主要手段，但是，目前众多引喘仪存在只能监测雾化液浓度而不能时-时监测雾化吸入室的雾化颗粒浓度的缺点。基于此，本发明中小动物烟气吸入微环境制备系统可用于小动物(小鼠、大鼠及豚鼠)抗原雾化吸入引发哮喘模型的建立，该系统具有吸入室雾化浓度可控的特点，且可实现多组动物的同时造模型，保证不同组间动物模型条件的一致性。下面以哮喘模型建立中使用最为广泛的抗原OVA为例，详细说明本发明用于哮喘小动物模型的制备及应用。
1)打开主控制箱电源，待雾化空气浓度感应器监测微环境箱中数值稳定，置零；同时，设定好雾化浓度报警值(低于设定下限值或高于上限值时亮红灯，处于设定值区间时亮绿灯)。
2)设定氧气浓度值(低于18.0时，电磁气阀自动打开，输入氧气；达到18.0以上时，自动关闭)。
3)设定完毕后，将动物放入微环境箱内，关闭仓门及排风系统。
4)于抗原超声雾化装置中置入1％OVA雾化液，设置超声功率(2.4MHz)，同时，打开主控制箱中抗原雾化空气注入泵，向微环境箱中输入含雾化液的空气，达到雾化浓度设定值时，关闭注入泵。
5)动物于微环境箱体中自主呼吸，吸入均质抗原雾化液一定时间造模型实验。
6)动物造模型结束后，打开排风系统，通过管路排尽微环境箱中残留抗原空气，取出动物，关闭电源。
本发明制备雾化抗原吸入微环境浓度均一、可控，所制备哮喘模型具有成功率高、稳定、重复性好的优点。
实施例3 PM2.5吸入微环境的制备及其应用于PM2.5引发机体损伤模型的建立
流行病学研究发现，大气颗粒污染物浓度的升高与呼吸、心脑血管以及免疫等多个系统，与呼吸系统炎症、哮喘、COPD、动脉粥样硬化、脑中风以及糖尿病等疾病的发生发展密切相关，全世界每年多达320万人死于大气颗粒物污染，其中，PM2.5已成为威胁人类健康的主要因素之一。然而，迄今为止，仍缺少有效的方法用于大气颗粒物(尤其是PM2.5)引发人体健康损伤疾病模型的建立，极大的影响PM2.5引发机体损伤机制及其防治的研究。基于此，本发明中小动物烟气吸入微环境制备系统可用于小动物(小鼠、大鼠)PM2.5吸入引发健康损伤模型的建立，该系统具有微环境吸入室大气可吸入颗粒物浓度稳定、准确可控且重现性好的特点，且可实现多组动物的同时造模型，保证不同组间动物模型可吸入颗粒物吸入条件的一致性。下面以PM2.5吸入引发健康损伤模型的建立为例，详细说明本发明用于PM2.5引发机体损伤模型的制备及应用。
1)打开主控制箱电源，待PM2.5感应器监测微环境箱中数值稳定，置零；同时，设定好PM2.5浓度报警值(低于设定下限值或高于上限值时亮红灯，处于设定值区间时亮绿灯)。
2)设定氧气浓度值(低于18.0时，电磁气阀自动打开，输入氧气；达到18.0以上时，自动关闭)。
3)设定完毕后，将动物放入微环境箱内，关闭仓门及排风系统。
4)于PM2.5雾化装置器中置入PM2.5粉尘，设置超声功率(2.4MHz)，同时，打开主控制箱中PM2.5雾化空气注入泵，向微环境箱中输入含PM2.5的空气，达到雾化浓度设定值时，关闭注入泵。
5)动物于微环境箱体中自主呼吸，吸入均质PM2.5空气一定时间造模型实验。
6)动物造模型结束后，打开排风系统，通过管路排尽微环境箱中残留PM2.5，取出动物，关闭电源。
本发明制备PM2.5吸入微环境浓度均一、准确可控；所制备PM2.5引发机体损伤模型稳定、重复性好，且模型成功率高。该系统建立的PM2.5吸入机体损伤模型对PM2.5引发机体损伤的机制和靶点研究以及防治药物的探寻具有重要的社会意义和现实意义。
实施例4 治疗药物雾化吸入微环境的制备及其应用于药物呼吸系统雾化给药的评价研究
药物雾化吸入是呼吸系统疾病治疗的重要手段，WHO已将其列为治疗急慢性肺炎、哮喘、COPD、急慢性支气管炎等最为安全、有效的方法之一，具有吸收面积大、起效迅速、不良反应少等优点。基于此，本发明中小动物烟气吸入微环境制备系统可用于小动物(小鼠、大鼠)药物呼吸系统雾化吸入治疗，该系统具有微环境吸入室雾化药物浓度稳定、可控且重现性好的特点。下面详细说明本发明用于小动物(小鼠、大鼠)药物呼吸系统雾化吸入治疗。
1)打开主控制箱电源，待药物雾化空气感应器监测微环境箱中数值稳定，置零；同时，设定好药物雾化浓度报警值(低于设定下限值或高于上限值时亮红灯，处于设定值区间时亮绿灯)。
2)设定氧气浓度值(低于18.0时，电磁气阀自动打开，输入氧气；达到18.0以上时，自动关闭)。
3)设定完毕后，将动物放入微环境箱内，关闭仓门及排风系统。
4)于治疗药物超声雾化装置中置入一定浓度含药雾化液，设置超声功率(2.4MHz)，同时，打开主控制箱中雾化空气注入泵，向微环境箱中输入含雾化液的空气，达到雾化浓度设定值时，关闭注入泵。
5)动物于微环境箱体中自主呼吸，吸入均质含药物雾化液空气进行治疗实验。
6)动物造模型结束后，打开排风系统，通过管路排尽微环境箱中残留药物雾化液，取出动物，关闭电源。
7)按实验设计周期及次数，每日重复药物雾化吸入给药实验；实验结束，处理动物，进行指标检测。
本发明用于小动物(小鼠、大鼠)药物呼吸系统雾化吸入治疗，具有制备药物吸入雾化浓度均一、准确可控的优点，可为呼吸系统疾病药物吸入治疗研究提供有效方法。

Claims (12)

1.一种小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于：其含有微环境箱体、主控制箱、模型建立装置以及排风装置。
2.根据权利要求1的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述的模型建立装置包括香烟点燃装置或超声雾化装置的一种或两种。
3.根据权利要求2的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述的超声雾化装置包括PM2.5超声雾化装置、造模药物超声雾化装置、造模抗原超声雾化装置中的任意一种或两种或三种的组合。
4.根据权利要求1的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述微环境箱体内装有照明LED灯，空气混匀风扇，排风接口，CO传感器、O2传感器、温度传感器以及湿度传感器的一种或多种传感器的组合，以及烟雾传感器、PM2.5传感器、造模抗原雾化气雾传感器、造模药物雾化气雾传感器的任意一种或多种传感器的组合，以及烟雾注入口、PM2.5空气注入口、造模抗原雾化气雾注入口、造模药物雾化气雾注入口的一种或多种注入口的组合。
5.根据权利要求1的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述主控制箱装有电源、电源开关、测控电路、泵开关、O2电磁阀、以及烟雾注入泵、PM2.5雾化气体注入泵、造模抗原注入泵、造模药物注入泵的一种或多种注入泵的组合。
6.根据权利要求5的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述的测控电路装有主控制板、传感模块、显示屏和参数设置按钮。
7.根据权利要求6的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于：测控电路中通过参数设置按钮对各传感模块数值的上下限进行设定，显示屏将实时显示各传感模块检测数值及报警情况，反馈调控微环境箱体中吸入微环境。
8.根据权利要求7的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于：显示屏可采取同屏显示或分屏显示，手动或自动周期刷新检测数值。
9.根据权利要求4或5任一项的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述的多种包括两种、三种、四种。
10.根据权利要求1-9任一项的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述的小动物烟气吸入微环境制备系统中还可以含有治疗药物超声雾化给药装置。
11.根据权利要求10的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述的微环境制备系统中微环境箱体内还装有治疗药物雾化气雾传感器、治疗药物雾化气雾注入口。
12.根据权利要求10的小动物烟气吸入微环境制备系统，其特征在于，所述的微环境制备系统中主控制箱还装有治疗药物注入泵。
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