CN113257099A - 一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置 - Google Patents

一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置 Download PDF

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高如心
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Abstract

本发明公开了属于食品营养健康与仿生制造技术领域的一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置。对真实肠胃翻模制备出仿肠胃的硅胶模型，并将该硅胶模型固定安装在底座上；在仿肠胃的硅胶模型上缠绕多层人工肌肉‑柔性弹簧记忆合金丝，记忆合金丝末端固定在底座上，使用导线将其与继电器、电源、单片机连接；消化液和食糜从带有瓣膜的入口注入，经过弹簧记忆合金丝模仿肌肉的收缩蠕动消化后从肠道的出口排出。翻模得到的仿肠胃模型更好地还原了消化时的真实环境；记忆合金代替传动的机械压缩和震荡的方式，既缩小了装置的体积也更好地还原了消化时的肌肉收缩运动状况；为实现体外逼真消化模拟提供重要实验装备。

Description

一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置
技术领域
本发明涉及食品营养健康与仿生制造技术领域，尤其涉及一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置。
背景技术
在如今快速发展的社会状态下，食品的营养健康或药品越来越被人们关注，同时也有越来越多的人意识到食品、药品的体内消化过程的重要性，这就需要对食品、药品在进入市场前进行营养价值、毒理、药理的实验研究。目前用于研究的方法主要是动物活体实验和人体临床实验，在实验对象中小鼠占了大多数。体内实验虽然可以提供比较准确直接的结果，但是由于较大的个体差异性、费时费力以及伦理限制等因素，且对于体内实验，体外实验省时省力、重复性好、取样方便、成本低廉，极大地提高了实验的效率和质量。
体外仿生消化系统是对人或动物的消化道及其消化环境、消化道内的流体动态行为等进行模拟的装置，可以作为“前筛选”工具助力胃肠消化现象的观察研究，帮助功能性食品和药品的开发应用。目前大多数的静态体外系统通常由搅拌容器(磁力搅拌、摇床震荡)、机械滚轮(对食糜进行机械压缩和滚动)组成，且内部结构通常刚性，不能很好地模拟消化系统内部的真实消化过程，且装置体型庞大。
针对以上问题，以小鼠为实验对象，设计了一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，对真实小鼠肠胃翻模得到小鼠肠胃的硅胶模型，并将其固定安装在固定板和底座上，消化液和食糜从带有瓣膜入口注入，从肠的出口排出，更好地还原消化时小鼠内部的真实环境；硅胶模型上缠绕多层可快速变形和恢复形变的柔性弹簧记忆合金丝，通过节律性地收缩去模拟还原消化时的肠胃蠕动，并利用单片机和继电器对所有的记忆合金丝进行可编程控制。装置整体体积缩小，且对小鼠内部消化的过程更具有真实的还原性，可连续取样和监测、效率高、具有可重复性。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，其特征在于，该装置包括注射泵、控制模块、小鼠胃硅胶模型、肠胃模型底座、小鼠肠道硅胶模型、弹簧记忆合金丝、试剂瓶、保温盒、垫块和接头；
所述控制模块包括继电器、单片机和铅蓄电源；其中铅蓄电源分别与继电器、单片机相连并供电；单片机的信号输出端口与继电器的输入端口相连，继电器的输出端口通过导线与弹簧记忆合金丝相连；小鼠胃硅胶模型、小鼠肠道硅胶模型和弹簧记忆合金丝的两端均固定在肠胃模型底座上；单片机向弹簧记忆合金丝发出电信号，继电器进行功率转换并输出电流至弹簧记忆合金丝以使其收缩，停止输出电流后，弹簧记忆合金丝恢复形变；小鼠胃硅胶模型、肠胃模型底座和小鼠肠道硅胶模型安装于保温盒内以模拟真实消化时体内的温度。
所述小鼠胃硅胶模型的出入口处设有紫外光固化胶粘连的单向的瓣膜；小鼠胃硅胶模型与小鼠肠道硅胶模型均通过真实小鼠胃翻模得到；小鼠胃硅胶模型包括以界限脊为界的前胃和腺胃，其中前胃的内壁光滑，腺胃的内壁有胃褶皱；小鼠胃硅胶模型分为小鼠胃硅胶模型内层与小鼠胃硅胶模型外层，小鼠胃硅胶模型内层设有供弹簧记忆合金丝穿过的模型合金丝通孔；腺口外部通过垫块和接头与小鼠胃硅胶模型的硅胶管连接以连通注射泵；
小鼠肠道硅胶模型的内壁有肠褶皱，在胃褶皱和肠褶皱上布置益生菌；小鼠肠道硅胶模型分为小鼠肠道硅胶模型内层与小鼠肠道硅胶模型外层；在小鼠胃硅胶模型与小鼠肠道硅胶模型的内外两层之间均设置用于固定弹簧记忆合金丝的沟槽；
肠胃模型底座上设有固定凸块以限制肠胃硅胶模型的移动；肠胃模型底座与安装板通过螺栓连接以限制肠胃硅胶模型的自由度；弹簧记忆合金丝的两端通过肠胃模型底座上直径为0.5mm的弹簧记忆合金丝固定口进行固定；
所述控制模块安装于保温盒外，控制模块通过保温盒的侧板上的导线通孔用导线与弹簧记忆合金丝相连，且导线通孔上设有保证保温盒密闭性的橡胶圈；注射泵通过保温盒的侧板上直径为3mm的硅胶管通孔与小鼠胃硅胶模型的硅胶管相连。
所述小鼠胃硅胶模型与小鼠肠道硅胶模型的制备方法如下：采用锇酸、戊二醛化学双固定方法对解剖后的真实小鼠肠胃进行组织定型处理，在真实小鼠肠胃上沉积含SiO2的络合物，待其脱水固化后获得刚性阴模板，再在阴模板上浇筑硅胶；硅胶翻模后，通过机械缠绕-粘接的方式完成腔体结构的成形。
多根弹簧记忆合金丝缠绕在小鼠肠道硅胶模型的不同部位，利用不同部位的弹簧记忆合金丝规律性地依次收缩和恢复形变去挤压和舒张小鼠肠道硅胶模型，从而模拟肠胃的蠕动；在弹簧记忆合金丝发生形变后，通过外部物理的拉扯加快其恢复形变的速度。
仿生消化液通过注射泵从腺口注入，食靡从小鼠胃硅胶模型的入口投入，经过模拟的消化过程后，所得混合物从小鼠肠道硅胶模型的出口排出，并流入试剂瓶中。
本发明的有益效果在于：
1、本发明结构紧凑，舍弃了传统的机械震荡和滚轮挤压的驱动方法，改用弹簧记忆合金丝模拟肠胃肌肉的方式驱动，更接近肠胃蠕动的真实情况，并且缩小了体积；
2、对解剖后的真实小鼠肠胃进行组织定型处理并沉积含SiO2等物质的络合物获得刚性阴模板，再在阴模板上浇筑硅胶，硅胶翻模后得到小鼠肠胃硅胶模型，对真实小鼠肠胃表面形貌的微观结构进行精准复制成形，精度可达微米，更加真实地反应了小鼠肠胃表面形貌结构；
3、小鼠肠胃硅胶模型上有许多仿生褶皱，可排布诸如乳酸菌等微生物，与仿生消化液一起模拟体内的化学消化过程，由保温盒来保证其活性。
附图说明
图1a、b、c为基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置的二维示意图；
图中：1-注射泵、2-继电器、3-单片机、4-铅蓄电源、5-小鼠胃硅胶模型、6-肠胃模型底座、7-小鼠肠道硅胶模型、8-弹簧记忆合金丝、9-试剂瓶、10-保温盒；
图2为基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置肠胃模型结构的二维示意图；
图中：501-瓣膜、502-前胃、503-腺胃、504-界限脊、505-胃褶皱、506-小鼠胃硅胶模型内层、507-模型合金丝通孔、508-小鼠胃硅胶模型外层、509-腺口；701-肠褶皱、702-小鼠肠道硅胶模型内层、703-小鼠肠道硅胶模型外层；
图3为肠胃模型蠕动示意图；
图4为基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置的三维结构示意图；
图中：601-固定凸块、602-安装板、603-弹簧记忆合金丝固定口；1001-硅胶管通孔、1002-导线通孔；
图5为本发明模拟实验方法的流程图。
具体实施方式
本发明提出一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2和图4所示的本发明实施例，包括：注射泵1、控制模块、小鼠胃硅胶模型5、肠胃模型底座6、小鼠肠道硅胶模型7、弹簧记忆合金丝8、试剂瓶9、保温盒10、垫块11、接头12。控制模块包括继电器2、单片机3、铅蓄电源4，其中铅蓄电源4与继电器2、单片机3相连并供电。单片机3的信号输出端口连接继电器2的输入端口，继电器2的输出端口则通过导线与弹簧记忆合金丝8连接。
小鼠胃硅胶模型5、小鼠肠道硅胶模型7的制备：采用锇酸、戊二醛化学双固定方法对解剖后的真实小鼠肠胃进行组织定型处理，在真实小鼠肠胃上沉积含SiO2等物质的络合物，待其脱水固化后获得刚性阴模板，再在阴模板上浇筑硅胶；硅胶翻模后，通过机械缠绕-粘接的方式完成腔体结构的成形。
在本实施例中，表面沉积含SiO2的络合物，除了SiO2，也可以是含其他金属离子的络合物，使用的络合剂为羧酸或β-二酮；所用硅胶采用Dragon Skin的A、B两组分1：1配置。
选择圆锥形芯棒作为缠绕模板，并在其表面涂紫外光固化胶；随后，将翻模的硅胶模型紧贴芯棒结构进行卷曲缠绕，对接缝处进行紫外光照射固化后，抽出芯棒即可得到硅胶模型。
小鼠胃硅胶模型5和小鼠肠道硅胶模型7的出入口处有单向的瓣膜501，用紫外光固化胶粘连固定，使用时用夹子加紧出入口保证食靡在仿生肠胃模型内部模拟消化时不会漏出。
小鼠胃硅胶模型5是通过真实小鼠胃翻模得到，以界限脊504为界，分为前胃502和腺胃503，前胃502内壁光滑，腺胃503内壁有许多胃褶皱505；与小鼠肠道硅胶模型7也通过真实小鼠肠翻模得到肠褶皱701，在胃褶皱505和肠褶皱701中可布置真实消化过程起作用的益生菌等微生物。
小鼠胃硅胶模型5与小鼠肠道硅胶模型7分为内外两层，在内外两层之间有放置弹簧记忆合金丝8的沟槽，从而像皮肤一样将弹簧记忆合金丝8包裹固定。
小鼠胃硅胶模型5与小鼠肠道硅胶模型7的内层是对真实小鼠肠胃翻模得到的模型，外层则是通过3D打印的模具翻模得到，其中内层有供弹簧记忆合金丝穿过的模型合金丝通孔507。
利用弹簧记忆合金丝8收缩、伸长的可控性，去模拟消化时肠胃的蠕动；多根弹簧记忆合金丝8缠绕在肠胃硅胶模型的不同部位，利用不同部位的弹簧记忆合金丝8以一定规律依次收缩、恢复形变，去挤压、舒张肠胃硅胶模型，从而模仿肠胃的蠕动；同时每根弹簧记忆合金丝8的两端固定在肠胃模型底座6上，在弹簧记忆合金丝8发生形变后，能通过外部物理的拉扯加快其恢复形变的速度。
因一般记忆合金丝虽然收缩很迅速，但是恢复形变较为缓慢，无法很好地模拟真实消化过程中肠胃的蠕动频率，而弹簧记忆合金丝8的恢复形变速度比一般记忆合金丝要快，且形变更大、不宜断裂，所以采用弹簧记忆合金丝8去模拟肠胃的蠕动。
每根弹簧记忆合金丝8的两端通过肠胃模型底座6上直径0.5mm的弹簧记忆合金丝固定口603进行固定，在弹簧记忆合金丝8发生形变后，能通过外部物理的拉扯加快其恢复形变的速度。
肠胃模型底座6通过3D打印方式制造用以固定安装小鼠胃硅胶模型5和小鼠肠道硅胶模型7；肠胃模型底座6有固定凸块601，可限制肠胃硅胶模型的移动，起到固定的作用；安装板602与肠胃模型底座6通过M5的螺栓进行连接，限制肠胃硅胶模型自由度。
由继电器2、单片机3、铅蓄电源4组成的控制模块，单片机3给出对应弹簧记忆合金丝8的电信号，继电器2进行功率转换，输出电流给弹簧记忆合金丝8，弹簧记忆合金丝8收缩；停止输出电流后，弹簧记忆合金丝8恢复形变。
单片机3用的Arduino Mega 2560，并安装配套Arduino拓展版。
小鼠胃硅胶模型5、肠胃模型底座6、小鼠肠道硅胶模型7等结构装配完成后，安装于保温盒内，以模拟真实消化时体内的温度；由继电器2、单片机3、铅蓄电源4组成的控制模块安装于保温盒10外，导线需通过保温盒10侧板上改装过的导线通孔1002，以连接控制模块和弹簧记忆合金丝8，保温盒10侧板的导线通孔1002上有保证保温盒10密闭性的橡胶圈。
保温盒10侧板有直径3mm的硅胶管通孔1001用来通过连接注射泵1与小鼠胃硅胶模型5的硅胶管。
所用注射泵1为保定兰格生产的LSP01-1A实验室高精度微量注射泵，最大行程140mm，行程分辨率0.03125μm。
含有消化酶等混合物的仿生消化液则通过注射泵从腺口注入，食靡从小鼠胃硅胶模型5的带有瓣膜501的入口投入，经过模拟的消化过程后，所得混合物从小鼠肠道硅胶模型7的出口排出，并流入试剂瓶9中。
注入仿生消化液后，先让装置蠕动起来，待消化酶等混合物与肠胃硅胶模型充分、均匀接触后，再投入食靡，经过模拟的消化过程后，所得产物流入试剂瓶中，用以检测分析。
腺口509外部通过垫块11、接头12与硅胶管连接，得以连通注射泵1。
肠胃的蠕动过程如图3所示，在单片机3中传入事先编好的程序，先给入口处弹簧记忆合金丝8收缩的信号，同时邻近的弹簧记忆合金丝8收缩，入口处的弹簧记忆合金丝8再恢复形变，依次类推，推动食靡向出口运动；快到出口时再将食靡回推，往复循环，程序中可以设定循环次数；循环结束后，将食靡从出口挤压出并流入试剂瓶9。
如图5所示的工作流程为：
1.将含有消化酶等混合物的仿生消化液与按一定比例微生物混合均匀后，用注射器取样；用注射泵从腺口往小鼠肠胃硅胶模型内慢速、定量注入仿生消化液与微生物的混合液，并启动控制模块中的预蠕动程序，开始预蠕动。
2.待仿生消化液、微生物的混合液与小鼠肠胃硅胶模型内层表面充分、均匀接触后，预蠕动结束；将处理好的食靡从胃的入口投入，并夹紧出入口。
3.启动控制模块与保温盒，可设定蠕动循环次数与频率，弹簧记忆合金丝开始形变，模拟肠胃蠕动。
4.蠕动结束，打开夹子，待残渣流入试剂瓶中后，可进行检测分析。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，其特征在于，该装置包括注射泵(1)、控制模块、小鼠胃硅胶模型(5)、肠胃模型底座(6)、小鼠肠道硅胶模型(7)、弹簧记忆合金丝(8)、试剂瓶(9)、保温盒(10)、垫块(11)和接头(12)；
所述控制模块包括继电器(2)、单片机(3)和铅蓄电源(4)；其中铅蓄电源(4)分别与继电器(2)、单片机(3)相连并供电；单片机(3)的信号输出端口与继电器(2)的输入端口相连，继电器(2)的输出端口通过导线与弹簧记忆合金丝(8)相连；小鼠胃硅胶模型(5)、小鼠肠道硅胶模型(7)和弹簧记忆合金丝(8)的两端均固定在肠胃模型底座(6)上；单片机(3)向弹簧记忆合金丝(8)发出电信号，继电器(2)进行功率转换并输出电流至弹簧记忆合金丝(8)以使其收缩，停止输出电流后，弹簧记忆合金丝(8)恢复形变；小鼠胃硅胶模型(5)、肠胃模型底座(6)和小鼠肠道硅胶模型(7)安装于保温盒(10)内以模拟真实消化时体内的温度。
2.根据权利要求1所述的基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，其特征在于，所述小鼠胃硅胶模型(5)的出入口处设有紫外光固化胶粘连的单向的瓣膜(501)；小鼠胃硅胶模型(5)与小鼠肠道硅胶模型(7)均通过真实小鼠胃翻模得到；小鼠胃硅胶模型(5)包括以界限脊(504)为界的前胃(502)和腺胃(503)，其中前胃(502)的内壁光滑，腺胃(503)的内壁有胃褶皱(505)；小鼠胃硅胶模型(5)分为小鼠胃硅胶模型内层(506)与小鼠胃硅胶模型外层(508)，小鼠胃硅胶模型内层(506)设有供弹簧记忆合金丝(8)穿过的模型合金丝通孔(507)；腺口(509)外部通过垫块(11)和接头(12)与小鼠胃硅胶模型(5)的硅胶管连接以连通注射泵(1)；
小鼠肠道硅胶模型(7)的内壁有肠褶皱(701)，在胃褶皱(505)和肠褶皱(701)上布置益生菌；小鼠肠道硅胶模型(7)分为小鼠肠道硅胶模型内层(702)与小鼠肠道硅胶模型外层(703)；在小鼠胃硅胶模型(5)与小鼠肠道硅胶模型(7)的内外两层之间均设置用于固定弹簧记忆合金丝(8)的沟槽；
肠胃模型底座(6)上设有固定凸块(601)以限制肠胃硅胶模型的移动；肠胃模型底座(6)与安装板(602)通过螺栓连接以限制肠胃硅胶模型的自由度；弹簧记忆合金丝(8)的两端通过肠胃模型底座(6)上直径为0.5mm的弹簧记忆合金丝固定口(603)进行固定；
所述控制模块安装于保温盒(10)外，控制模块通过保温盒(10)的侧板上的导线通孔(1002)用导线与弹簧记忆合金丝(8)相连，且导线通孔(1002)上设有保证保温盒(10)密闭性的橡胶圈；注射泵(1)通过保温盒(10)的侧板上直径为3mm的硅胶管通孔(1001)与小鼠胃硅胶模型(5)的硅胶管相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，其特征在于，所述小鼠胃硅胶模型(5)与小鼠肠道硅胶模型(7)的制备方法如下：采用锇酸、戊二醛化学双固定方法对解剖后的真实小鼠肠胃进行组织定型处理，在真实小鼠肠胃上沉积含SiO2的络合物，待其脱水固化后获得刚性阴模板，再在阴模板上浇筑硅胶；硅胶翻模后，通过机械缠绕-粘接的方式完成腔体结构的成形。
4.根据权利要求1所述的基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，其特征在于，多根弹簧记忆合金丝(8)缠绕在小鼠肠道硅胶模型(7)的不同部位，利用不同部位的弹簧记忆合金丝(8)规律性地依次收缩和恢复形变去挤压和舒张小鼠肠道硅胶模型(7)，从而模拟肠胃的蠕动；在弹簧记忆合金丝(8)发生形变后，通过外部物理的拉扯加快其恢复形变的速度。
5.根据权利要求2所述的基于人工肌肉的仿生体外消化模拟实验装置，其特征在于，仿生消化液通过注射泵(1)从腺口(509)注入，食靡从小鼠胃硅胶模型(5)的入口投入，经过模拟的消化过程后，所得混合物从小鼠肠道硅胶模型(7)的出口排出，并流入试剂瓶(9)中。
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