CN109389893A - 一种柔性人食管、胃、十二指肠和小肠一体化模型的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性人食管、胃、十二指肠和小肠一体化模型的制备方法，扫描人的食管、胃、十二指肠和小肠的内部和外部结构，制得对应的模具；在模具上均匀涂抹脱模剂，将弹性液体材料浇注在模具上，待其固化后经脱模分别制得食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型，并经表面清洁后进行晾干处理；在胃模型、十二指肠模型和小肠模型上分别打孔，在孔中插入并固定柔性管作为分泌管；使用胶黏剂将仿生人的食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型按结构顺序粘结起来，即得一体化模型。本发明采用三维扫描和机械结合方法制备小肠模具，该模型具有准真实生理结构特性和尺寸，具有消化液分泌功能的和柔性的等一系列优点，可以用于仿生消化实验中，提高实验的精确度。
Description
技术领域
本发明属于人体消化器官仿真技术领域，具体而言，本发明涉及一种柔性人食管、胃、十二指肠和小肠一体化模型的制备方法，用于仿生消化实验中，提高实验的精确度。
背景技术
体外人仿生消化系统是在体外人的消化系统和消化过程进行模仿的设备，从工程角度出发，可以把体外仿生消化系统看作是由一个或多个柔软的生化反应器所组成的动态系统。其中建立完整的体外仿生人食管、胃、十二指肠和小肠模型至关重要。由于低成本、便捷、高效、无伦理限制和易于局部或特异性取样等特点，体外仿生消化系统已部分替代临床或动物实验，在食品营养成分的生物利用率、药物缓释、致敏成分的消化稳定性、益生菌的消化存活率等方面的研究中得到许多重要的研究成果，广泛应用于食品、制药、医疗、环境等多个研究领域。科研工作者们在朝着更加真实化的道路上对优化体外胃仿生系统进行了许多有益的探索，其中，对真实消化系统的形态结构、运动方式和消化环境进行仿生至关重要，即通过对这三种仿生模式，可以将复杂且非稳态的胃消化体系拆解成可以进行检测和分析的生化反应器系统；这三种仿生模式不仅直接决定了消化液(含消化酶)的进料方式、反应物(食材等)与消化液的混合方式和反应产物的出料方式，而且影响了反应物在整个消化道中的破碎效果和消化效果。因此，对形态仿生、运动仿生和消化环境仿生进行优化是发展体外仿生系统的关键研究问题。而建造准真实的体外人食管、胃、十二指肠和小肠是开展这些工作的基础环节，也是最重要的一个环节。
对人体器官进行仿生消化实验，通常需要制作一些相关的消化系统模型，同时赋给消化系统模型一定的动作，使其具有人体器官的消化功能，用来进行人体消化系统的研究。目前所进行消化系统的研究采用的消化器官模型与真实的人体消化器官所具有的功能存在较大的差别，不能完全模仿人体的真实消化系统，因此在进行科学研究时，会产生出许多不可信的试验采集数据，不利于科学研究。
发明内容
因此，本发明所解决的技术问题在于制得具有准真实生理结构特性和尺寸的消化模型，用于仿生消化实验中，提高实验的精确度。因此，本发明提供了一种柔性人食管、胃、十二指肠和小肠一体化模型的制备方法。
本发明提供了一种柔性人食管、胃、十二指肠和小肠一体化模型的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，扫描人的食管、胃、十二指肠和小肠的内部和外部结构，制得食管模具、胃模具、十二指肠模具和小肠模具；
步骤二，在模具上均匀涂抹脱模剂，将弹性液体材料浇注在模具上，待其固化后经脱模分别制得食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型，并经表面清洁后进行晾干处理；
步骤三，在胃模型、十二指肠模型和小肠模型上分别打孔，在孔中插入并固定柔性管作为分泌管；
步骤四，使用胶黏剂将仿生人的食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型按结构顺序粘结起来，即得一体化模型。
所述步骤一中采用三维扫描仪分别扫描人的食管、胃和十二指肠的内部和外部结构，通过三维建模软件将扫描到的图像建模并保存成STL格式的图片；将三维图像输入到3D打印机中，依次制得人的食管模具、胃模具和十二指肠模具。
所述食管模型和十二指肠模型的制备方法包括：根据三维扫描所获得的人的食管和十二指肠的内外径尺寸，通过硅胶材料分别制作出具有平面硅胶板结构的食管模具和十二指肠模具，其模具的长度分别为食管和十二指肠的长度，模具的宽度为食管和十二指肠的外径周长；将两硅胶板在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后分别制得食管模型和十二指肠模型。
所述小肠模型的制备方法具体包括：在有机玻璃板上成型具有一定间隔、直径和深度的光滑小孔，制得小肠模具；在有机玻璃板模具上涂抹脱模剂，将弹性液体材料浇注在小肠模具上，待其固化后脱模，并经表面清洁后进行晾干处理，制得小肠初模型；将小肠初模型在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后制得小肠模型。
所述胃模型的制备方法具体包括：3D打印机根据三维扫描所得人胃的内部和外部尺寸打印胃模具的内模和外模；向内模的外表面及外模的内表面分别涂抹脱模剂；在内模与外模所形成的间隙中浇注弹性液体材料，待其固化后经脱模后制得左右两部分胃模型，经表面清洁后进行晾干处理；将晾干后的两部分胃模型在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后制得胃模型。
将晾干后的各模型在沿其长度方向的两侧边的连接处逐层涂抹硅胶粘结剂，每层硅胶粘结剂的固化时间为2.5～3.5小时，涂抹5～7层；将模具一端的出口封闭，从其另一端注入水溶性红色液体燃料检测模具是否漏液。
所述步骤三中的分泌管为外径为2mm、内径为1mm、长度为300～400mm的硅胶管。
所述步骤三中采用直径5mm的打孔器在胃模型的胃壁两个侧面各打12个孔，在所述十二指肠模型的大乳头位置至少打一个孔，所述分泌管逐个固定于对应的孔里，所述分泌管的插入端端口处不超过胃模型和十二指肠模型的内表面，且与所述胃模型和十二指肠模型的内部相连通。
所采用的弹性液体材料为硅胶材料，其拉伸强度为4～6kgf/cm2，断裂伸长率为300～800％，抗扯强度为20～30kgf/cm2，线性收缩为≤0.5％。
本发明技术方案，具有如下优点：
A.本发明采用三维扫描和3D打印的方法制作柔性人食管、胃和十二指肠模具，采用机械的方法制备小肠模具，然后使用柔性的弹性材料通过翻模制得1:1的柔性人食管、胃和十二指肠模型，并且在胃、十二指肠和小肠上排布分泌管，然后将制得的柔性人食管、胃、十二指肠和小肠按照顺序结构连接起来，制作出了柔性的人食管、胃、十二指肠和小肠的一体化模型，该模型具有准真实生理结构特性和尺寸，具有消化液分泌功能的和柔性的等一系列优点。可以用于仿生消化实验中，提高实验的精确度。
B.本发明使用有机硅橡胶(其他弹性体亦可)制作出了仿生人食管、胃、十二指肠和小肠模型，所制得的模型在内部形态、外部形态和尺寸上模拟了真实的人消化道，是形态仿生最重要的一个环节，形态和结构直接决定了消化物在消化系统中的混合方式和停留时间；另外，所制得的模型具有消化液流加功能，流加速率和流加量模拟真实的人消化液的流加方式；同时有机硅橡胶具有良好的弹性，施加一定的机械力能在体外模仿人消化系统的运动方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中的人食管-胃-十二指肠-小肠硅胶模型示意图；
图2是小肠模具结构示意图。
图中：
1-食管模型；2-胃模型；3-十二指肠模型，31-环形褶皱；4-小肠模型，41-绒毛；5-有机玻璃板，51-光滑小孔；6-分泌管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种柔性人食管、胃、十二指肠和小肠一体化模型的制备方法，包括如下步骤：
【S1】扫描人的食管、胃、十二指肠和小肠的内部和外部结构，制得食管模具1、胃模具2、十二指肠模具3和小肠模具4。
采用三维扫描仪分别扫描人的食管、胃和十二指肠的内部和外部结构，通过三维建模软件将扫描到的图像建模并保存成STL格式的图片；将三维图像输入到3D打印机中，依次制得人的食管模具、胃模具和十二指肠模具。
食管模具的制备：
根据真实人的食管生理学数据，确定食管的平均外径为20mm，平均内径为15.6mm，并且有三个狭窄部位，其中第一狭窄部位位于食道的起端，即咽与食道的交接处；第二个狭窄部位在食道入口以下7cm处；第三个狭窄部位位于食管和胃的交界处。本发明根据食管的内径和外径尺寸，首先制作出一个平面的硅胶板的模具，该模具内槽长度为250mm，宽度为π*食管外直径＝62.8mm。所需硅胶量为250x62.8x2.2mm3＝345.4毫升。
胃模具制备方法：
使用三维扫描仪扫描真实胃的内部和外部结构，用三维建模软件进行三维重构，并保存成3D打印机识别的STL格式。用3D打印机逐层打印出来。其中胃模具有四部分组成，包括内模和外模，内模和外模分别有两部分拼装而成。
十二指肠模具的制备方法：
使用三维扫描仪扫描人的真实十二指肠的内部和外部结构，根据真实人的十二指肠数据，确定十二指肠的外径为70mm，内径为50mm，并且有环形褶皱31。
本发明根据十二指肠的内径和外径尺寸，首先制作出一个平面的硅胶板的模具，该模具的内槽长度为250mm，宽度为π*十二指肠外直径＝219.8mm。所需硅胶量为250x219.8x10mm3＝549.5毫升。
小肠模具的制备方法：
根据三维扫描仪所得到的真实人的小肠结构尺寸，在有机玻璃板5上打上具有一定间隔、直径和深度的光滑小孔51，制得小肠模具。
【S2】在模具上均匀涂抹脱模剂，将弹性液体材料浇注在模具上，待其固化后经脱模分别制得食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型，并经表面清洁后进行晾干处理。
制备硅橡胶液体：
计算出所制模具的内模和外模之间预留的空隙空间和待制造的仿生人食管、胃、十二指肠和小肠的体积，制备液体硅胶，并将液体硅胶和交联剂混合和消泡，得到未交联的液体硅胶，浇铸液体的体积与待制造的软弹性容器材料体积相等。当然本发明还可以采用其它弹性体材料。
其中硅胶材料的力学性能参数为:拉伸强度为40kgf/cm，断裂伸长率为300～600％，抗扯强度为20～30kgf/cm，线性收缩为≤0.5％。
其中食管模型和十二指肠模型的制备方法：根据三维扫描所获得的人的食管和十二指肠的内外径尺寸，通过3D打印机和硅胶材料分别制作出具有平面硅胶板结构的食管模具和十二指肠模具，其模具的长度分别为食管和十二指肠的长度，模具的宽度为食管和十二指肠的外径周长；将两硅胶板在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后分别制得食管模型和十二指肠模型。
小肠模型的制备方法具体包括：在有机玻璃板5上成型具有一定间隔、直径和深度的光滑小孔51，制得小肠模具；在有机玻璃板5模具上涂抹脱模剂，将弹性液体材料浇注在小肠模具上，待其固化后脱模，并经表面清洁后进行晾干处理，制得内壁具有呈绒毛状的小肠初模型；将小肠初模型在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后制得小肠模型。
胃模型的制备方法具体包括：3D打印机根据三维扫描所得人胃的内部和外部尺寸打印胃模具的内模和外模；向内模的外表面及外模的内表面分别涂抹脱模剂；在内模与外模所形成的间隙中浇注弹性液体材料，待其固化后经脱模后制得左右两部分胃模型，经表面清洁后进行晾干处理；将晾干后的两部分胃模型在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后制得胃模型。
将硅橡胶按1:1的质量比进行混合，抽真空10分钟直到所有气泡全部消失。同时清洗各模具，并在各模具上均匀的涂上脱模剂，然后分别按所需量灌入各模具中，其中食管模具、十二指肠模具和小肠模具按所需量注入，胃模具直到灌满为止(约650ml)。将灌入硅橡胶的各模具放入低于40°的烘箱中烘干3小时取出，将模具取出即得各模型。
【S3】在胃模型、十二指肠模型和小肠模型上分别打孔，在孔中插入并固定柔性管作为分泌管。分泌管优选为外径为2mm、内径为1mm、长度为300～400mm的硅胶管。
将制得的胃模型和十二指肠模型和小肠模型用打孔器打孔，将硅胶管插入孔中并用胶水粘结，硅胶管可以突出一部分，等粘好后贴着胃壁剪齐，同时确保硅胶管不被胶水堵塞，且插入端的端口处不超过胃模型、十二指肠模型和小肠模型的内表面。粘好后放置3小时，然后每一根硅胶管分别通入水溶性的红色液体染料，检查分泌管的导通情况；然后将胃的分泌管集成到一根较粗的管子上，每根管子事先用一定长度的实心电线堵住，防止胶水流入分泌管中，等粘好后再拔除，并通入水溶性的红色液体染料，检查是否漏液和堵塞。
各模型在沿其长度方向的两侧边的连接处逐层涂抹硅胶粘结剂，每层硅胶粘结剂的固化时间为2.5～3.5小时，涂抹5～7层；将模具一端的出口封闭，从其另一端注入水溶性红色液体燃料检测模具是否漏液。
采用5mm的打孔器在胃模型的胃壁两个侧面各打12个孔，在十二指肠模型的大乳头位置及小肠模型上至少各打一个孔，分泌管逐个固定于对应的孔里，其插入端的端口处不超过胃模型和十二指肠模型的内表面，且与所述胃模型和十二指肠模型的内部相连通。
【S4】使用胶黏剂将仿生人的食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型按结构顺序利用硅胶粘结起来，即得一体化模型，同时检查是否漏液。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种柔性人食管、胃、十二指肠和小肠一体化模型的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一，扫描人的食管、胃、十二指肠和小肠的内部和外部结构，制得食管模具、胃模具、十二指肠模具和小肠模具；
步骤二，在模具上均匀涂抹脱模剂，将弹性液体材料浇注在模具上，待其固化后经脱模分别制得食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型，并经表面清洁后进行晾干处理；
步骤三，在胃模型、十二指肠模型和小肠模型上分别打孔，在孔中插入并固定柔性管作为分泌管；
步骤四，使用胶黏剂将仿生人的食管模型、胃模型、十二指肠模型和小肠模型按结构顺序粘结起来，即得一体化模型。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中采用三维扫描仪分别扫描人的食管、胃和十二指肠的内部和外部结构，通过三维建模软件将扫描到的图像建模并保存成STL格式的图片；将三维图像输入到3D打印机中，依次制得人的食管模具、胃模具和十二指肠模具。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述食管模型和十二指肠模型的制备方法包括：根据三维扫描所获得的人的食管和十二指肠的内外径尺寸，通过硅胶材料分别制作出具有平面硅胶板结构的食管模具和十二指肠模具，其模具的长度分别为食管和十二指肠的长度，模具的宽度为食管和十二指肠的外径周长；将两硅胶板在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后分别制得食管模型和十二指肠模型。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述小肠模型的制备方法具体包括：在有机玻璃板上成型具有一定间隔、直径和深度的光滑小孔，制得小肠模具；在有机玻璃板模具上涂抹脱模剂，将弹性液体材料浇注在小肠模具上，待其固化后脱模，并经表面清洁后进行晾干处理，制得小肠初模型；将小肠初模型在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后制得小肠模型。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胃模型的制备方法具体包括：3D打印机根据三维扫描所得人胃的内部和外部尺寸打印胃模具的内模和外模；向内模的外表面及外模的内表面分别涂抹脱模剂；在内模与外模所形成的间隙中浇注弹性液体材料，待其固化后经脱模后制得左右两部分胃模型，经表面清洁后进行晾干处理；将晾干后的两部分胃模型在沿其长度方向的两侧边上逐层涂抹粘结剂，固化后制得胃模型。
6.根据权利要求2-5任一所述的制备方法，其特征在于，将晾干后的各模型在沿其长度方向的两侧边的连接处逐层涂抹硅胶粘结剂，每层硅胶粘结剂的固化时间为2.5～3.5小时，涂抹5～7层；将模具一端的出口封闭，从其另一端注入水溶性红色液体燃料检测模具是否漏液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的分泌管为外径为2mm、内径为1mm、长度为300～400mm的硅胶管。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中采用直径为5mm的打孔器在胃模型的胃壁两个侧面各打12个孔，在所述十二指肠模型的大乳头位置至少打一个孔，所述分泌管逐个固定于对应的孔里，所述分泌管的插入端端口处不超过胃模型和十二指肠模型的内表面，且与所述胃模型和十二指肠模型的内部相连通。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所采用的弹性液体材料为硅胶材料，其拉伸强度为4～6kgf/cm2，断裂伸长率为300～800％，抗扯强度为20～30kgf/cm2，线性收缩为≤0.5％。
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