CN207503515U - 一种人体胃肠道体外模拟消化器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种人体胃肠道体外模拟消化器，包括两个反应罐，中部连接机构，两个末端连接机构，控制器，物料蠕动泵和压力蠕动泵；反应罐两端开口，内部设置有硅胶管，硅胶管两端分别与反应罐两端密封连接，与反应罐内壁围成独立的夹层空腔，反应罐壁设有压力进口和压力出口连通夹层空腔；两个反应罐的一端开口通过中部连接机构连通，两个反应罐的另一个开口分别连通一个末端连接机构；末端连接机构上设置有物料口；控制器连接控制物料蠕动泵和压力蠕动泵；物料蠕动泵连接物料口；压力蠕动泵连接所述压力进口或压力出口。本实用新型模拟真实、重现性好，适用于微生物学、药效学、毒理学及营养学等技术领域的研究。

Description

一种人体胃肠道体外模拟消化器

技术领域

本实用新型属于仿生学、微生物学、药效学、毒理学、营养学及分析测试技术领域。本实用新型涉及一种人体胃肠道体外模拟器，具体地说，是涉及一种体外条件下模拟食物在人体胃肠道不同肠腔内被消化、吸收的装置。

背景技术

人体的消化系统主要由消化道和消化腺组成。消化道从口腔开始，往下依次为咽、食道、胃、小肠、大肠；消化腺包括唾液腺、胰腺、肝脏、胃腺和肠腺。消化系统的主要功能是摄入、消化食物、吸收营养物质、排除食物残渣。人体对于食物的消化吸收过程极其复杂，其消化过程主要指食物在消化管内分解成可被吸收的小分子物质；吸收过程为消化管内的物质透过消化道黏膜进入血液和淋巴的过程。在人体的消化过程中，消化吸收两个主要过程几乎同时发生。目前人体消化系统在微生物学、药效学、毒理学、营养学等领域中成为研究热点。然而，由于人体消化系统的复杂性、科研技术的有限性以及体内研究过程中涉及的伦理约束，人体消化系统的研究一直困难重重。因此学术界迫切需要一套灵活的、准确的、重复性能好的体外模拟人体消化吸收等生理过程的模型。

近年来，人类和动物消化道体外模拟装置得到不断推广，这些模拟装置在微生物学、药效学、毒理学、人类及动物营养学的研究领域得到广泛应用，逐渐被学术界接受，某些模拟装置甚至可以作为生产设备，生产需要特定肠道环境或肠菌激活的某些活性物质。这些已经公开的体外消化道模拟装置均具有以下相似设计理念：模拟胃、小肠等不同消化道部位的核心部件均为数量不等的密闭反应容器，通过向密闭反应容器内添加不同的消化液、调控合适的pH值进而大致简单模拟人类及动物消化道内环境，且每个模拟装置均配备有蠕动泵、磁力搅拌器、温度传感器等动作部件。

针对于人体体外胃肠道模型，其设计类型大致分为四种，分别为静态单室模型、动态单室模型、动态双室模型以及动态多室模型。静态单室模型的代表为荷兰科学家A.G.Oomen等2002年开发的胃肠道消化系统，该系统只包含一个反应罐，消化液只包含唾液、胃液、胰液及胆汁。虽然该消化系统被广泛应用，但是其体系的静态局限性不能够模拟人体消化道复杂的生理、生化及理化特性过程。目前，人体胃肠道体外消化模型最为先进精确的是荷兰TNO设计的TIM系统，该系统是一套由计算机控制的动态、多室体系，主要模拟胃、小肠、大肠三个消化道，通过计算机控制系统控制食物咀嚼、消化、吸收与胃排空过程，精确地重现了人体胃肠道消化进程。我国对于人体胃肠道体外模拟消化系统的研究相对滞后，目前只有为数不多的机构进行装置和方法的研究，如发明专利授权号 CN102533543A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，该装置提供并维持一定速率的振荡、相对恒定的温度、湿度，达到模拟人体肠道环境的效果。实用新型专利授权号CN201344874Y公开了一种动物模拟消化器，通过向透析管内注入例如胃、十二指肠等不同消化道段的消化液及相应改变通入玻璃管内的缓冲液，可实现在体外条件下模拟饲料在动物胃肠道消化道各段内被消化吸收的情况。发明专利授权号CN103740589A公开了一种人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法，该系统通过智能控制可真实模拟离体条件下食物在人体胃肠道内的消化吸收。发明专利授权号CN104851346A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。该系统模拟了胃、小肠、升结肠、横结肠、降结肠五个消化道，并将多个功能模块整合在框架中，通过智能控制系统控制反应罐与功能模块，实现了自动采样、自动保存样品参数。

然而，上述所公开的体外模拟装置系统都存在自身的缺陷，如装置基本都采用磁力搅拌器模拟胃肠道的蠕动功能，在胃肠道模拟实验中，磁力搅拌器需要能连续工作至少200小时，但是一般的磁力搅拌器不能连续工作10小时以上。且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。现有装置在设计上不可避免遇到结构调整或修改，其智能控制系统也必然随研究的深入得到相应改进。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种人体胃肠道体外模拟消化器，该胃肠道模拟消化器能够在体外条件下真实地模拟食物在人体胃肠道不同肠腔内被消化、吸收的情况。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种人体胃肠道体外模拟消化器，所述人体消化道体外模拟器包括两个反应罐，中部连接机构，两个末端连接机构，控制器，物料蠕动泵和压力蠕动泵；

所述中部连接机构和末端连接机构内均包括可容纳液体的空腔；

所述反应罐两端开口；所述反应罐内部设置有硅胶管，所述硅胶管两端分别与反应罐两端密封连接，所述硅胶管外壁与所述反应罐内壁围成独立的夹层空腔，所述硅胶管内部与所述反应罐两端的开口连通；所述反应罐壁设有压力进口和压力出口，所述压力进口和压力出口均连通所述夹层空腔；

所述两个反应罐的一端开口通过所述中部连接机构内的空腔连通，所述两个反应罐的另一个开口分别连通一个所述末端连接机构的空腔；

所述末端连接机构上设置有物料口，所述物料口连通所述末端连接机构的空腔；

所述控制器连接控制所述物料蠕动泵和所述压力蠕动泵；所述物料蠕动泵连接所述物料口；所述压力蠕动泵连接所述压力进口或压力出口。

向所述夹层空腔内通入恒流恒温水可实现恒温功能。

进一步的，所述人体消化道体外模拟单元外设置有有连通器，所述连通器连通所述压力进口或压力出口。通过安装非接触式液位仪和连通器可实现对罐内液位高度的检测，实现对罐内夹层空腔容积的测定。

进一步的，至少一个所述末端连接机构上设置有酸碱液进口，所述酸碱液进口连通所述末端连接机构的空腔。

进一步的，所述中部连接机构上设置有pH计口，所述pH计口连通所述中部连接机构的空腔；所述pH计口中设置有pH计，所述pH计连接控制器；所述控制器控制连接有酸碱液蠕动泵，所述酸碱液蠕动泵连通所述酸碱液进口。通过控制器设置目标pH值，若pH低于最小值或最大值，启动酸碱液蠕动泵，朝模拟反应罐内注入稀释的碱液或者酸液，达到目标值后，停止酸碱液蠕动泵。

进一步的，所述反应罐两端的开口为磨口，通过法兰与所述中部连接机构或所述末端连接机构连通。

进一步的，所述硅胶管的两端在所述反应罐的开口处外翻出。

进一步的，所述反应罐为圆柱形罐。

进一步的，所述反应罐为耐高温耐高压的玻璃材质。

进一步的，所述人体胃肠道体外模拟消化器还包括温度调节系统，所述温度调节系统包括密封式恒温水箱和温度传感器；所述恒温水箱由所述控制器控制，所述控制器连接所述温度传感器，所述温度传感器设置于所述恒温水箱内。设定恒温水箱内液体温度的目标值、最大值、最小值，由温度传感器检测恒温水箱内液体温度，若低于最小值，则控制器控制恒温水箱加热直至达到目标值；若温度高于指定最大值，则控制压力蠕动泵停止向夹层内注入热水。

本实用新型可通过向夹层空腔供给气体或液体进而改变硅胶管内部的容积，胃肠道的蠕动即通过硅胶管的不断挤压收缩过程模拟。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型中采用伸缩性能良好的硅胶管代替传统的磁力搅拌器模拟胃肠道的蠕动功能，可克服磁力搅拌器不能长时间工作的缺陷，且硅胶管的收缩膨胀过程更接近胃肠道的蠕动状态，模拟更为逼真。

附图说明

图1是本实用新型人体胃肠道体外模拟消化单元机构示意图。

其中，1是反应罐，2是硅胶管，3是夹层空腔，4是末端连接机构，5是中部连接机构，6是压力进口，7是压力出口，8是物料口，9是酸碱液进口，10是pH 计口。

具体实施方式

如图1所示，

一种人体胃肠道体外模拟消化器，所述人体消化道体外模拟器包括两个反应罐(1)，中部连接机构(5)，两个末端连接机构(4)，控制器，物料蠕动泵和压力蠕动泵；

所述中部连接机构(5)和末端连接机构(4)内均包括可容纳液体的空腔；

所述反应罐(1)两端开口；所述反应罐(1)内部设置有硅胶管(2)，所述硅胶管(2)两端分别与反应罐(1)两端密封连接，所述硅胶管(2)外壁与所述反应罐(1)内壁围成独立的夹层空腔(3)，所述硅胶管(2)内部与所述反应罐(1)两端的开口连通；所述反应罐(1)壁设有压力进口(6)和压力出口(7)，所述压力进口(6)和压力出口(7)均连通所述夹层空腔(3)；

所述两个反应罐(1)的一端开口通过所述中部连接机构(5)内的空腔连通，所述两个反应罐(1)的另一个开口分别连通一个所述末端连接机构(4)的空腔；

所述末端连接机构(4)上设置有物料口(8)，所述物料口(8)连通所述末端连接机构(4)的空腔；

所述控制器连接控制所述物料蠕动泵和所述压力蠕动泵；所述物料蠕动泵连接所述物料口(8)；所述压力蠕动泵连接所述压力进口(6)或压力出口(7)。

向所述夹层空腔(3)内通入恒流恒温水可实现恒温功能。

进一步的，所述人体消化道体外模拟单元外设置有有连通器，所述连通器连通所述压力进口(6)或压力出口(7)。通过安装非接触式液位仪和连通器可实现对罐内液位高度的检测，实现对罐内夹层空腔(3)容积的测定。

进一步的，至少一个所述末端连接机构(4)上设置有酸碱液进口(9)，所述酸碱液进口(9)连通所述末端连接机构(4)的空腔。

进一步的，所述中部连接机构(5)上设置有pH计口(10)，所述pH计口 (10)连通所述中部连接机构(5)的空腔；所述pH计口(10)中设置有pH计，所述pH计连接控制器；所述控制器控制连接有酸碱液蠕动泵，所述酸碱液蠕动泵连通所述酸碱液进口(9)。通过控制器设置目标pH值，若pH低于最小值或最大值，启动酸碱液蠕动泵，朝模拟反应罐(1)内注入稀释的碱液或者酸液，达到目标值后，停止酸碱液蠕动泵。

进一步的，所述反应罐(1)两端的开口为磨口，通过法兰与所述中部连接机构(5)或所述末端连接机构(4)连通。

进一步的，所述硅胶管(2)的两端在所述反应罐(1)的开口处外翻出。

进一步的，所述反应罐(1)为圆柱形罐。

进一步的，所述反应罐(1)为耐高温耐高压的玻璃材质。

进一步的，所述人体胃肠道体外模拟消化器还包括温度调节系统，所述温度调节系统包括密封式恒温水箱和温度传感器；所述恒温水箱由所述控制器控制，所述控制器连接所述温度传感器，所述温度传感器设置于所述恒温水箱内。设定恒温水箱内液体温度的目标值、最大值、最小值，由温度传感器检测恒温水箱内液体温度，若低于最小值，则控制器控制恒温水箱加热直至达到目标值；若温度高于指定最大值，则控制压力蠕动泵停止向夹层内注入热水。

当使用本实用新型模拟人体的胃消化过程时，将食物样品与胃模拟消化液通过物料口(8)装入反应罐(1)，开启恒温水浴锅注水进入夹层空腔(3)，硅胶管(2)受到夹层空腔(3)内恒温水压力发生收缩，食物样品即从反应罐(1) 一端进入另一端。调节夹层空腔(3)内压力大小，食物样品即从反应罐(1)硅胶管(2)空腔内往复运动，此过程实现了胃的蠕动模拟。在该操作过程中，中部连接机构(5)的空腔内可插入pH计时刻监测样品的PH值。通过系统控制器设置目标pH值，若空腔内pH低于最小值或最大值，则启动酸碱液蠕动泵，朝模拟反应罐(1)内酸碱液进口(9)注入稀释的碱液或者酸液，达到目标值后，停止酸碱液蠕动泵。该过程还通过密封式恒温水箱控制夹层空腔(3)内水温，进而控制食物样品的温度，以最大限度模拟人体胃肠道温度。待食物样品在反应罐(1)内与胃反应液充分反应后，则停止压力供给，从而完成了胃的模拟消化过程。

Claims (8)

1.一种人体胃肠道体外模拟消化器，其特征在于，包括两个反应罐，中部连接机构，两个末端连接机构，控制器，物料蠕动泵和压力蠕动泵；

所述中部连接机构和末端连接机构内均包括可容纳液体的空腔；

所述反应罐两端开口；所述反应罐内部设置有硅胶管，所述硅胶管两端分别与反应罐两端密封连接，所述硅胶管外壁与所述反应罐内壁围成独立的夹层空腔，所述硅胶管内部与所述反应罐两端的开口连通；所述反应罐壁设有压力进口和压力出口，所述压力进口和压力出口均连通所述夹层空腔；

所述两个反应罐的一端开口通过所述中部连接机构内的空腔连通，所述两个反应罐的另一个开口分别连通一个所述末端连接机构的空腔；

所述末端连接机构上设置有物料口，所述物料口连通所述末端连接机构的空腔；

所述控制器连接控制所述物料蠕动泵和所述压力蠕动泵；所述物料蠕动泵连接所述物料口；所述压力蠕动泵连接所述压力进口或压力出口。

2.根据权利要求1所述的消化器，其特征在于，至少一个所述末端连接机构上设置有酸碱液进口，所述酸碱液进口连通所述末端连接机构的空腔。

3.根据权利要求1所述的消化器，其特征在于，所述中部连接机构上设置有pH计口，所述pH计口连通所述中部连接机构的空腔；所述pH计口中设置有pH计，所述pH计连接控制器；所述控制器控制连接有酸碱液蠕动泵，所述酸碱液蠕动泵连通所述酸碱液进口。

4.根据权利要求1所述的消化器，其特征在于，所述反应罐两端的开口为磨口，通过法兰与所述中部连接机构或所述末端连接机构连通。

5.根据权利要求1所述的消化器，其特征在于，所述硅胶管的两端在所述反应罐的开口处外翻出。

6.根据权利要求1所述的消化器，其特征在于，所述反应罐为圆柱形罐。

7.根据权利要求1所述的消化器，其特征在于，所述反应罐为耐高温耐高压的玻璃材质。

8.根据权利要求1所述的消化器，其特征在于，所述人体胃肠道体外模拟消化器还包括温度调节系统，所述温度调节系统包括密封式恒温水箱和温度传感器；所述恒温水箱由所述控制器控制，所述控制器连接所述温度传感器，所述温度传感器设置于所述恒温水箱内。