人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法技术方案

本发明专利技术涉及人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法。该系统包括：系统控制器、肠道菌群定植系统、模拟消化系统、模拟吸收系统、搅拌系统、速率控制系统、气路系统、温度调节系统、pH调节系统、消化液试剂瓶、吸收液试剂瓶、收集器。该方法包括控制系统参数设置、定植胶粒制备、肠道菌群定植、模拟消化、模拟吸收等步骤。本发明专利技术模拟了离体条件下的人体胃肠道消化、吸收及肠道微生态，模拟真实，重现性好，系统采用智能控制，适用于营养学、毒理学、生理学及微生物学等领域的研究。

【技术实现步骤摘要】
人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法
本专利技术属于仿生学、人体生理学、微生物学、营养学、有机化学及分析测试
本专利技术涉及一种人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟试验方法，具体地说，是涉及一种离体条件下模拟食物在人体胃肠道的消化、吸收及胃肠道微生态系统及基于该系统模拟消化、吸收及微生态系统的方法。
技术介绍
人体对食物的消化吸收是一个非常复杂的过程，食物摄入后被转化成营养素供机体生长。在人体消化过程中，两个主要过程几乎同时发生：(1)食物在消化道机械转运过程中降低颗粒尺寸的大小；(2)食物中的大分子被水解为小分子后吸收入血。食物粉碎过程主要发生在口腔和胃，而酶解以及营养素和水的吸收主要发生在小肠和大肠。目前消化系统成为了各领域(如营养学、毒理学、生理学及微生物学等)研究者研究过程中与各种问题相联系的焦点。但不幸的是，研究这个复杂的人体消化的多级过程存在着经济上以及技术上的困难，并且当研究过程中涉及到潜在的有毒有害物质时还会受到伦理道德上的约束。因此迫切需求一套灵活的、精确的并且可重复操作的体外模拟人体消化吸收等生理过程的模型。过去二十几年中，各国科学家都在尝试制作胃肠道模型，但是大多数的体外模型都是静态的，只包含少数模拟参数，并且只针对特定器官，如荷兰科学家A.G.Oomen等2002年开发的胃肠道消化系统消化液只包含唾液、胃液、胰液及胆汁。然而，在模拟消化道复杂的生理、生化及理化特性过程中，能够模拟出每一餐的食物或要研究的物质在消化过程中通过消化道的时间、pH、以及酶解条件等是非常重要的。因此，一些动态的多消化器官模型被研发并应用于研究，如美国科学家KongF和SinghPR于2010年开发的人胃模拟器(HGS)用于模拟食物在胃中的消化。比利时科学家K.Molly,M.VandeWoestyne，W.Verstraete于1993年开发并发展至今的模拟人体肠道微生态系统(SHIME)反应器。尽管模型已复杂化，但是相比较于体内条件，现有胃肠道模型依然相对简单，比如他们不包含反馈机制，微生物的定植，免疫系统，及精确的激素控制等。对于人体胃肠道仿生系统的建立及方法的研究，国外起步较早，受重视程度也比较高，而我国的研究相对滞后，目前只有为数不多的机构进行着装置和方法的研究，如技术专利授权号CN201634678U公开了一种模拟肠道环境的小型发酵装置，该装置可用于实验室好氧、厌氧、产气、不产气等微型发酵，可准确收集与计量发酵所产生的气体体积。专利技术专利授权号CN102533543B公开了一种能模拟人体肠道环境用于肠道微生物培养的装置，该装置能提供并维持相对恒定的温度、湿度、并可有一定的振荡，达到模拟肠道环境的效果。技术专利授权号CN202658158U公开了一种智能化生物体胃肠道消化系统模拟控制装置，该装置可通过计算机控制，模拟胃肠道消化系统。专利技术专利授权号CN101482460B公开了一种单位动物仿生消化系统及基于该系统模拟单位动物消化的方法，该系统及方法实现了体外条件下模拟动物胃肠道消化吸收饲料的过程。专利技术专利授权号CN101665758B公开了一种体外条件下重现人体胃肠道及微生态系统的模拟试验方法，该方法基于由比利时根特大学引进的人体肠道微生态系统模拟装置，针对东方人群的生活习性进行技术改进达到在体外条件重现人体胃肠道系统。
技术实现思路
针对上述情况，本专利技术的目的是提供一种人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法，在体外条件下，利用该系统和方法可以真实地模拟人体胃肠道对摄入食物的消化、吸收及肠道微生态系统。为实现上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的，具体过程和步骤如下：1.人体胃肠道仿生系统的建立，模型包括消化液试剂瓶、吸收液试剂瓶、收集器、速率控制系统、气路系统、温度调节系统、pH调节系统、搅拌系统、肠道菌群定植系统、模拟消化系统、模拟吸收系统、系统控制器。其中，消化液试剂瓶为料液试剂瓶200、胰液试剂瓶201、盐酸试剂瓶202、碳酸氢钠试剂瓶203、氢氧化钠试剂瓶204。吸收液试剂瓶为聚乙二醇试剂瓶205。收集器为废液收集器206、升结肠透析液收集器207、横结肠透析液收集器208、降结肠透析液收集器209。速率控制系统为蠕动泵1～23及泵500，分别通过数据线116与系统控制器900连接。气路系统为气体存储器100及管线110。温度调节系统为恒温水罐306、泵500、管线117、温度传感器806及系统控制器900。pH调节系统为pH计800～805，分别通过数据线116与系统控制器900连接。搅拌系统为磁力搅拌器400～405，分别通过数据线116与系统控制器900连接。系统控制器900通过数据线116与磁力搅拌器、温度传感器、pH计、蠕动泵连接。肠道菌群定植系统包括夹层罐305、罐盖和磁力搅拌器，该夹层灌为内外层玻璃材质罐；夹层罐外罐侧壁近顶端和底端装有倒宝塔形状的接口，内外罐夹层之间充满恒温水，通过硅胶管117与恒温水罐306连接；夹层罐用有机玻璃密封，罐盖装有pH计805，通过数据线116与系统控制器900连接；气体进出口，通过铜管110与气体存储罐100连接；酸液进口连接蠕动泵20通过硅胶管113与盐酸试剂瓶202连接；碱液进口连接蠕动泵21通过硅胶管115与氢氧化钠试剂瓶204连接；发酵液出口连接蠕动泵22和蠕动泵23通过硅胶管与小肠模拟器301和升结肠模拟器302连接；夹层罐放在磁力搅拌器405上，通过转子搅拌罐内发酵液。模拟消化系统包括胃模拟罐300、小肠模拟罐301、升结肠模拟罐302、横结肠模拟罐303和降结肠模拟罐304五个夹层玻璃罐，每个夹层玻璃罐外罐侧壁近顶端和底端装有倒宝塔形状的连接口，夹层罐之间通过硅胶管连接并通过硅胶管117与恒温水罐306连接；胃和肠道蠕动通过每个玻璃罐用磁力搅拌器400～404搅拌模拟；夹层罐用有机玻璃密封，罐盖上分别装有pH计800～804，pH计通过数据线116与系统控制器900连接，罐盖上分别装有气体进出口(铜管连接)、物料进出口(分别经泵2、4、5、6、7通过硅胶管连接)、酸液进口(分别经泵8、10、12、14、16通过硅胶管113与酸试剂瓶202连接)、碱液进口，其中胃模拟罐罐盖开孔经蠕动泵1通过硅胶管111与料液试剂瓶200连接；小肠模拟罐罐盖开孔经蠕动泵3通过硅胶管112与胰液试剂瓶201连接，碱液进口经蠕动泵11通过硅胶管114与碳酸氢钠试剂瓶203连接；升结肠模拟罐、横结肠模拟罐、降结肠模拟罐罐盖开孔分别经蠕动泵13、15、17通过硅胶管115与氢氧化钠试剂瓶204连接，罐盖开孔分别经蠕动泵18、19、20通过硅胶管116与聚乙二醇试剂瓶205连接。模拟吸收系统，以升结肠为例，包括夹层罐302和模拟吸收器600，其中，模拟吸收装器600进液口经蠕动泵18通过硅胶管116与聚乙二醇试剂瓶205连接，出液口通过硅胶管与收集器207连接。实际设计时，所述消化液试剂瓶、所述吸收液试剂瓶、所述收集器的数量可以为任意个。所述模拟消化系统、模拟吸收系统为两套共十个夹层玻璃罐。2.体外条件下模拟人体胃肠道消化、吸收及肠道微生态系统建立的试验方法，具体步骤如下：(1)仿生系统参数设置：人体胃肠道仿生系统包括胃模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人体胃肠道仿生系统，其特征在于：仿生系统包括消化液试剂瓶、吸收液试剂瓶、收集器、速率控制系统、气路系统、温度调节系统、pH调节系统、搅拌系统、肠道菌群定植系统、模拟消化系统、模拟吸收系统、系统控制器，其中：肠道菌群定植系统包括夹层罐、罐盖和磁力搅拌器，该夹层罐外罐侧壁近顶端和底端装有倒宝塔形状的接口，内外罐夹层之间充满恒温水，通过硅胶管与恒温水罐连接；夹层罐用有机玻璃密封，罐盖装有pH计，通过数据线与系统控制器连接；气体进出口，通过铜管与气体存储罐连接；酸液进口连接蠕动泵通过硅胶管与盐酸试剂瓶连接；碱液进口连接蠕动泵通过硅胶管与氢氧化钠试剂瓶连接；发酵液出口连接蠕动泵通过硅胶管与小肠模拟器和升结肠模拟器连接；夹层罐放在磁力搅拌器上，通过转子搅拌罐内发酵液。模拟消化系统包括胃模拟罐、小肠模拟罐、升结肠模拟罐、横结肠模拟罐和降结肠模拟罐五个夹层罐，每个夹层罐外罐侧壁近顶端和底端装有倒宝塔形状的连接口，夹层罐之间通过硅胶管连接并通过硅胶管与恒温水罐连接，胃和肠道蠕动通过每个玻璃罐用磁力搅拌器搅拌模拟，夹层罐用有机玻璃密封，罐盖上分别装有pH计，pH计通过数据线与系统控制器连接，罐盖上分别装有气体进出口、物料进出口、酸液进口、碱液进口，其中胃模拟罐罐盖开孔经蠕动泵通过硅胶管与料液试剂瓶连接，小肠模拟罐罐盖开孔经蠕动泵通过硅胶管与胰液试剂瓶连接，碱液进口经蠕动泵通过硅胶管与碳酸氢钠试剂瓶连接，升结肠模拟罐、横结肠模拟罐、降结肠模拟罐罐盖开孔分别经蠕动泵通过硅胶管与氢氧化钠试剂瓶连接，罐盖开孔分别经蠕动泵通过硅胶管与聚乙二醇试剂瓶连接。模拟吸收系统为夹层罐和模拟吸收器，模拟吸收器进液口经蠕动泵通过硅胶管与聚乙二醇试剂瓶连接，出液口通过硅胶管与收集器连接。消化液试剂瓶为料液试剂瓶、胰液试剂瓶、盐酸试剂瓶、碳酸氢钠试剂瓶、氢氧化钠试剂瓶。吸收液试剂瓶为内装聚乙二醇溶液试剂瓶。收集器为废液收集器、升结肠透析液收集器、横结肠透析液收集器、降结肠透析液收集器。速率控制系统为蠕动泵，分别通过数据线与系统控制器连接。气路系统为气体存储器及管线。温度调节系统为恒温水罐、蠕动泵、管线、温度传感器及系统控制器。pH调节系统为pH计，分别通过数据线与系统控制器连接。搅拌系统为磁力搅拌器，分别通过数据线与系统控制器连接。系统控制器包括人机交换界面和中央处理器，通过数据线与磁力搅拌器、温度传感器、pH计、蠕动泵连接。...

【技术特征摘要】
1.一种人体胃肠道仿生系统，其特征在于：仿生系统包括消化液试剂瓶、吸收液试剂瓶、收集器、速率控制系统、气路系统、温度调节系统、pH调节系统、搅拌系统、肠道菌群定植系统、模拟消化系统、模拟吸收系统和系统控制器，其中：肠道菌群定植系统包括夹层罐、罐盖和磁力搅拌器，该夹层罐外罐侧壁近顶端和底端装有倒宝塔形状的接口，内外罐夹层之间充满恒温水，通过硅胶管与恒温水罐连接；夹层罐用有机玻璃密封，罐盖装有pH计，通过数据线与系统控制器连接；气体进出口，通过铜管与气体存储罐连接；酸液进口连接蠕动泵通过硅胶管与盐酸试剂瓶连接；碱液进口连接蠕动泵通过硅胶管与氢氧化钠试剂瓶连接；发酵液出口连接蠕动泵通过硅胶管与小肠模拟器和升结肠模拟器连接；夹层罐放在磁力搅拌器上，通过转子搅拌罐内发酵液；模拟消化系统包括胃模拟罐、小肠模拟罐、升结肠模拟罐、横结肠模拟罐和降结肠模拟罐五个夹层罐，每个夹层罐外罐侧壁近顶端和底端装有倒宝塔形状的连接口，夹层罐之间通过硅胶管连接并通过硅胶管与恒温水罐连接，胃和肠道蠕动通过每个玻璃罐用磁力搅拌器搅拌模拟，夹层罐用有机玻璃密封，罐盖上分别装有pH计，pH计通过数据线与系统控制器连接，罐盖上分别装有气体进出口、物料进出口、酸液进口、碱液进口，其中胃模拟罐罐盖开孔经蠕动泵通过硅胶管与料液试剂瓶连接，小肠模拟罐罐盖开孔经蠕动泵通过硅胶管与胰液试剂瓶连接，碱液进口经蠕动泵通过硅胶管与碳酸氢钠试剂瓶连接，升结肠模拟罐、横结肠模拟罐、降结肠模拟罐罐盖开孔分别经蠕动泵通过硅胶管与氢氧化钠试剂瓶连接，升结肠模拟罐、横结肠模拟罐和降结肠模拟罐罐盖开孔分别经蠕动泵通过硅胶管与聚乙二醇试剂瓶连接；模拟吸收系统为夹层罐和模拟吸收器，模拟吸收器进液口经蠕动泵通过硅胶管与聚乙二醇试剂瓶连接，出液口通过硅胶管与收集器连接；消化液试剂瓶为料液试剂瓶、胰液试剂瓶、盐酸试剂瓶、碳酸氢钠试剂瓶和氢氧化钠试剂瓶；吸收液试剂瓶为内装聚乙二醇溶液试剂瓶；收集器为废液收集器、升结肠透析液收集器、横结肠透析液收集器和降结肠透析液收集器；速率控制系统为蠕动泵，分别通过数据线与系统控制器连接；气路系统为气体存储器及管线；温度调节系统为恒温水罐、蠕动泵、管线、温度传感器及系统控制器；pH调节系统为pH计，分别通过数据线与系统控制器连接；搅拌系统为磁力搅拌器，分别通过数据线与系统控制器连接；系统控制器包括人机交换界面和中央处理器，通过数据线与磁力搅拌器、温度传感器、pH计和蠕动泵连接。2.根据权利要求1所述人体胃肠道仿生系统，其特征在于：所述夹层罐为玻璃罐夹层罐、聚四氟乙烯罐、内层玻璃外层聚四氟乙烯罐或者内层聚四氟乙烯外层玻璃罐。3.根据权利要求1所述人体胃肠道仿生系统，其特征在于：容器之间液体的输入、输出采用蠕动泵，蠕动泵的动作由中央处理器控制。4.根据权利要求1所述人体胃肠道仿生系统，其特征在于：胃肠道模拟罐置于磁力搅拌器上，通过转子搅拌罐内液体，磁力搅拌器的动作受中央处理器控制。5.根据权利要求1所述人体胃肠道仿生系统，其特征在于：胃肠道模拟罐上装有pH计，压力传感器，液位计和温度传感器，均与中央处理器相连。6.利用权利要求1所述人体胃肠道仿生系统模拟胃肠道消化吸收的方法，其特征在于：此方法包括控制系统参数设置、肠道菌群定植、模拟消化和模拟吸收步骤，其中：控制系统参数设置具体如下：系统温度37℃，系统通气次数为2次/天、10分钟/次，胃模拟罐的pH通过0.05M盐酸和0.5M碳酸氢钠的添加保持在1.0～2.5之间，小肠模拟罐的pH通过0.05M盐酸和0.5M碳酸氢钠保持在6.0～7.5之间，升结肠模拟罐、横结肠模拟罐、降结肠模拟罐的pH通过0.05M盐酸和0.1M氢氧化钠分别保持在5.5-6.0、6.0～6.5、6.5～7.0之间，模拟罐中液体的体积分别为200ml、300ml、500ml、800...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海松，孙进，乐国伟，施用晖，成向荣，唐雪，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：