人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于仿生学、人体生理学、微生物学、营养学、有机化学及分析测试【技术领域】。本发明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。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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.0omen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Kong F和Singh PR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.Vande Woestyne, W.Verstraete于1993年开发并发展至今的模拟人体肠道微生态系统(SHME)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。
[0004]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，如实用新型专利授权号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。发明专利授权号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。实用新型专利授权号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。发明专利授权号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。发明专利授权号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。
【发明内容】
[0005]针对上述情况，本发明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。
[0006]为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的，具体过程和步骤如下:
[0007]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。
[0008]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。
[0009]吸收液试剂瓶为聚乙二醇试剂瓶205。
[0010]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。
[0011]速率控制系统为蠕动泵I~23及泵500，分别通过数据线116与系统控制器900
连接。
[0012]气路系统为气体存储器100及管线110。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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I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。
[0019]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。
[0020]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。 [0021]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:
[0022](I)仿生系统参数设置:人体胃肠道仿生系统包括胃模拟罐、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带夹层玻璃罐,玻璃罐夹层之间相通并由硅胶管与37°C恒温水罐连接，来模拟人体消化道内的温度；胃肠道的蠕动通过在模拟罐中放入转子，经由磁力搅拌器驱动转子旋转搅拌来加以模拟；胃肠道的无氧环境通过有机玻璃密封发酵罐口，并在发酵罐的密封盖上打孔通入氮气、氩气或二氧化碳气体来实现，通气次数为2次/天、10分钟/次；根据人体胃肠道的pH，胃模拟罐的pH通过pH计测定后数值反馈至系统控制器，系统控制器通过调节盐酸(0.05M)和碳酸氢钠(0.5M)的添加量来控制胃模拟罐pH保持在I~2.5之间，小肠模拟罐的pH通过盐酸(0.05M)和碳酸氢钠(0.5M)来调节，PH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通过盐酸(0.05M)和氢氧化钠(0.1M)来调节，pH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、800ml、600ml ;各模拟罐中液体的保留时间分别为2~6h、3~5h、12~18h、24~30h、14~22h ;各蠕动泵转移液体速度和时间分别为料液试剂瓶到胃模拟罐20ml / min泵lOmin，胰液试剂瓶到小肠模拟罐9ml/min泵IOmin,胃液模拟罐到小肠模拟罐21ml / min泵lOmin,小肠模拟罐到升结肠模拟罐28ml /min泵IOmin,升结肠模拟罐到横结肠模拟罐0.6ml / min泵常开,横结肠模拟罐到降结肠模拟罐0.6ml / min泵常开，降结肠模拟罐到收集器0.9ml / min泵常开；胃酸成分为盐酸和胃蛋白酶；小肠液成分为胆汁、胰酶和碳酸氢钠。
[0023](2)肠道菌群定植:
[0024]取近3个月未接受抗生素治疗的健康男性新鲜粪便，用0.1%蛋白胨溶液稀释成20%粪水悬液，混匀，500r / min离心2min，取上清液，离心管保存。然后将结冷胶1.875g、黄原胶0.1875g，溶于75mL2g / L柠檬酸三钠溶液中，灭菌。冷却后转移至500mL无菌烧杯中，加入1.5mL菌悬液,混匀。加入150mL灭菌植物油，搅拌IOmin,加 0.lmol/L氯化钙硬化，去油后再次硬化，纱网过滤，胶粒可以4°C避光保存。
[0025]在肠道菌群定植罐中加入定植胶粒25g及培养基500mL，37°C恒温水浴，磁力搅拌器搅拌，厌氧培养12h，然后更换培养基，再培养12h后菌定植成功，定植成功的菌液可经蠕动泵泵入小肠模拟罐和升结肠模拟罐，每次泵入量分别为50ml。[0026](3)仿生系统的运行
[0027]A.仿生消化步骤如下:a.开启恒温水罐，调节罐内水温至37.5°C，然后开启循环泵，使仿生系统温度保持在37°C。b.肠道菌群定植系统中磁力搅拌器开启，肠道菌群定植罐内加入培养基后加入预先制备好的定植胶粒，定植过程中气路系统间歇开启，每12h向定植罐中通入气体，每次通气时间为lOmin，至菌定植成功。c.胃模拟罐开启，pH保持在1.0~2.5之间，24h内加入料液3次，首次加料后隔4h再次加入料液，每次加入料液量为200ml，料液在胃模拟罐内反应2~6h后泵入小肠模拟罐，料液全部泵入小肠模拟罐后，小肠模拟罐的磁力搅拌器开启，同时胰液试剂瓶到小肠模拟罐的蠕动泵开启泵入90ml胰液，然后用碳酸氢钠调节pH至6.0~7.5，3~5h后连接小肠模拟罐和升结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入升结肠模拟罐，然后升结肠的磁力搅拌器开启，此时连接肠道菌群定植器的蠕动泵开启，泵入50ml定植菌液，用HCl (0.05M)和NaOH(0.1M)调节pH在5.5~6.0之间，料液在升结肠模拟罐中的体积为500ml，反应时间为12~18h，然后连接升结肠模拟罐和横结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入横结肠模拟罐，随之横结肠模拟罐的磁力搅拌器开启，此时连接肠道菌群定植器的蠕动泵开启，泵入50ml定植菌液，用HCl (0.05M)和NaOH (0.1M)调节pH在6.0~6.5之间，料液在升结肠模拟罐中的体积为800ml，反应时间为24~30h，然后连接横结肠模拟罐和降结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入降结肠模拟罐，随之降结肠模拟罐的磁力搅拌器开启，降结肠模拟罐用HCl (0.05M)和NaOH (0.1M)调节pH在6.5~
7.0之间，料液在降结肠模拟罐中的体积为600ml，反应时间为14~22h。
[0028]B.仿生吸收步骤如下:首先配制聚乙二醇溶液，其组成为26.25g / L聚乙二醇4000，0.36g/L碳酸氢钠，0.7g / L氯化钠，用Imol / L氢氧化钠调节至pH9.5，装入聚乙二醇溶液试剂瓶。然后在仿生消化系统正常运行的情况下，开启连接聚乙二醇溶液试剂瓶和升结肠模拟罐、横结肠模拟罐、降结肠模拟罐之间的蠕动泵，使聚乙二醇溶液以3mL / min的流速单向流向透析液收集器。
[0029]本发明具有如下有点:
[0030]1.本发明的人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法实现了离体条件下模拟人体胃肠道的消化过程及结肠的吸收过程，全系统只需通过人机交换界面输入各器官对应的运行参数，由电脑自动控制完成消化、吸收过程，实验过程中，无需再有人为操作，因此排除了消化吸收过程中外界因素的干扰，模拟逼真，具有很好的稳定性，平行性，及可重现性。
[0031]2.本发明人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法适用于营养学、毒理学、生理学及微生物学等领域的研究，如营养学研究中对食物营养成分、微生态制剂(益生菌、益生元、合生元)等的营养性、有效性、安全性的评价；毒理学研究中对外源药物、抗生素、毒物等食入成分的代谢研究；生理学研究中通过代谢组学研究肠道菌群代谢产物对机体产生的影响；微生物学研究中肠道菌群的动力学研究等。
[0032]3.本发明中肠道菌群的来源均由肠道菌群定植系统提供，肠道菌群模拟器中的细菌菌群数量、种类、比例和代谢产物与肠道菌群相似，可以保证肠道模拟器中菌群的稳定性，平行性，相似性，并且大大缩短肠道菌群定植所需的时间。整套系统肠道菌群定植稳定后，可适用于长期或短期的研究。
[0033]4.本发明中模拟吸收的透析装置置于消化器内，可实现对代谢产生的小分子代谢产物的实时吸收，并避免对肠道定植菌群的扰动，模拟逼真，更接近于肠道对代谢物质的真实吸收，更优于传统肠道模拟装置中的培养模式。
[0034]5.本发明中代谢产物可实现在线检测，如结肠菌群代谢培养物质后产气、产酸等、可直接通过气相、液相设备检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1本发明人体胃肠道仿生系统模型示意图。
[0036]图2本发明人体胃肠道仿生系统吸收装置示意图。
[0037]图3本发明人体胃肠道仿生系统及基于该系统的模拟实验方法的实施流程图。【具体实施方式】 [0038]下面结合具体实施例详细描述本发明:
[0039]实施例1人体胃肠道仿生系统的建立以及消化、吸收具体过程如下:
[0040]人体胃肠道仿生系统的建立:准备系统控制器900 (人机交换界面、数据处理器模块、设备控制器模块)，数据线116、118，消化液试剂瓶200~205，输液管道111~116，肠道菌群定植发酵罐305，胃肠道模拟罐300~304，磁力搅拌器400~405，pH计800-805，模拟吸收器600~602，储气罐100，气体输入管道110，蠕动泵I~23，恒温水罐306，温度传感器806，水泵500，输水管道117，液体收集器206~209。
[0041]将消化液试剂瓶200~205通过硅胶管连接到蠕动泵I~23再连接到肠道菌群定植发酵罐305和胃肠道模拟罐300~304，再通过铜质气体输入管道110连接储气罐100和肠道菌群定植发酵罐305和胃肠道模拟罐300~304，将肠道菌群定植罐305和胃肠道模拟罐300~304置于磁力搅拌器400~405上，磁力搅拌器400~405通过数据线116与系统控制器900连接，通过硅胶管117串联连接恒温水罐306、水泵500、肠道菌群定植罐305和胃肠道模拟罐300~304，恒温水罐中的温度传感器806通过数据线118与系统控制器900连接。实际系统中，上述胃肠道仿生系统至少有一套平行系统，也可为两套以上，共同连接于系统控制器900，平行系统所需参数与上述的单套仿生系统相同，系统的启动与停止也同步于上述单套仿生系统。
[0042]实验开始时，开启系统控制器，输入肠道菌群定植系统、及胃肠道模拟系统的参数，分别为系统温度37°C，系统通气次数为2次/天、10分钟/次，胃模拟罐的pH通过盐酸(0.05M)和碳酸氢钠(0.5M)的添加保持在2.0~2.3之间，小肠模拟罐的pH通过盐酸(0.05M)和碳酸氢钠(0.5M)保持在6.0~6.3之间，升结肠模拟罐、横结肠模拟罐、降结肠模拟罐的pH通过盐酸(0.05M)和氢氧化钠(0.1M)分别保持在5.5-6.0,6.0~6.3,6.3~6.5之间，模拟罐中液体的体积分别为200ml、300ml、500ml、800ml、600ml,各模拟罐中液体的保留时间分别为4h、4h、18h.30h.22h,各蠕动泵转移液体速度和时间分别为料液试剂瓶到胃模拟罐20ml / min泵lOmin,胰液试剂瓶到小肠模拟罐9ml / min泵lOmin,胃液模拟罐到小肠模拟罐21ml / min泵lOmin,小肠模拟罐到升结肠模拟罐28ml / min泵lOmin,升结肠模拟罐到横结肠模拟罐0.6ml / min泵常开,横结肠模拟罐到降结肠模拟罐0.6ml /min泵常开。
[0043]然后开启恒温水罐，调节罐内水温至37.5°C，开启循环泵，使仿生系统温度保持在37°C。肠道菌群定植罐内加入500ml培养基以及25g预先制备好的定植胶粒，开启肠道菌群定植系统中磁力搅拌器，定植过程中气路系统间歇开启，每12h向定植罐中通入气体，每次通气时间为IOmin,肠道菌群定植过程中，每隔12h更换培养基,24~36h菌群定植成功。定植成功的菌液可经蠕动泵泵入小肠模拟罐和升结肠模拟罐，每次泵入量分别为50ml。
[0044]消化系统启动，首先胃模拟罐开启，pH保持在2.0~2.3之间，24h内加入料液3次，首次加料后隔4h再次加入料液，每次加入料液量为200ml，料液在胃模拟罐内反应4h后泵入小肠模拟罐，料液全部泵入小肠模拟罐后，小肠模拟罐的磁力搅拌器开启，同时胰液试剂瓶到小肠模拟罐的蠕动泵开启泵入90ml胰液，然后用碳酸氢钠调节pH至6.0~6.3，4h后连接小肠模拟罐和升结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入升结肠模拟罐，然后升结肠的磁力搅拌器开启，此时连接肠道菌群定植器的蠕动泵开启，泵入50ml定植菌液，用HCl (0.05M)和NaOH(0.1M)调节pH在5.5~6.0之间，料液在升结肠模拟罐中的体积为500ml，反应时间为18h，然后连接升结肠模拟罐和横结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入横结肠模拟罐，随之横结肠模拟罐的磁力搅拌器开启，此时连接肠道菌群定植器的蠕动泵开启，泵入50ml定植菌液，用HCl (0.05M)和NaOH(0.1M)调节pH在6.0~6.3之间，料液在升结肠模拟罐中的体积为800ml，反应时间为30h，然后连接横结肠模拟罐和降结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入降结肠模拟罐，随之降结肠模拟罐的磁力搅拌器开启，降结肠模拟罐用HCl (0.05M)和NaOH(0.1M)调节pH在6.3~6.5之间，料液在降结肠模拟罐中的体积为600ml，反应时间为22h。以降结肠模拟罐内液体体积达到600ml后为系统达到平衡。模拟消化过程开始。
[0045]在模拟消化过程中，聚乙二醇试剂瓶中加入聚乙二醇溶液，其组成为26.25g / L聚乙二醇4000，0.36g / L碳酸氢钠，0.7g / L氯化钠，用lmol / L氢氧化钠调节至pH9.5。开启与聚乙二醇试剂瓶相连接的蠕动泵，流速为3mL / min，聚乙二醇泵入模拟吸收系统，透析液随聚乙二醇经硅胶 管流入收集瓶。
[0046]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的知识说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【权利要求】
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、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、螺动泵连接。
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，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，温度传感器，均与中央处理器相连。
6.根据权利要求1所述人体胃肠道仿生系统，其特征在于:吸收装置所用透析膜为纤维素膜、聚丙烯晴膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、乙烯基乙烯醇共聚膜、聚砜膜、聚酰胺膜、聚酯集合物合金膜。
7.根据权利要求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、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°C，系统通气次数为2次/天、10分钟/次，胃模拟罐的pH通过盐酸(0.05M)和碳酸氢钠(0.5M)的添加保持在1.0~2.5之间，小肠模拟罐的pH通过盐酸(0.05M)和碳酸氢钠(0.5M)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通过盐酸(0.05M)和氢氧化钠(0.1M)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、.800ml、600ml，各模拟罐中液体的保留时间分别为2~6h、3~5h、12~18h、24~30h、14~.22h，各蠕动泵转移液体速度和时间分别为料液试剂瓶到胃模拟罐20ml / min泵lOmin，胰液试剂瓶到小肠模拟罐9ml / min泵lOmin，胃液模拟罐到小肠模拟罐21ml / min泵.IOmin,小肠模拟罐到升结肠模拟罐28ml / min泵lOmin,升结肠模拟罐到横结肠模拟罐.0.6ml / min泵常开,横结肠模拟罐到降结肠模拟罐0.6ml / min泵常开。 肠道菌群定植步骤如下:开启恒温水罐，调节罐内水温至37.5°C，开启循环泵，使仿生系统温度保持在37°C。肠道菌群定植罐内加入500ml培养基以及制备好的定植胶粒25g，开启肠道菌群定植系统中磁力搅拌器，定植过程中气路系统间歇开启，每12h向定植罐中通入气体，每次通气时间为lOmin，肠道菌群定植过程中，每隔12h更换培养基，24~36h菌群定植成功。定植成功的 菌液可经蠕动泵泵入小肠模拟罐和升结肠模拟罐，每次泵入量分别为50ml ο 模拟消化步骤如下:胃模拟罐开启，PH保持在1.0~2.5之间，24h内加入料液3次，首次加料后隔4h再次加入料液，每次加入料液量为200ml，料液在胃模拟罐内反应2~6h后泵入小肠模拟罐，料液全部泵入小肠模拟罐后，小肠模拟罐的磁力搅拌器开启，同时胰液试剂瓶到小肠模拟罐的蠕动泵开启泵入90ml胰液，然后用碳酸氢钠调节pH至6.0~7.5，.3~5h后连接小肠模拟罐和升结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入升结肠模拟罐，然后升结肠的磁力搅拌器开启，此时连接肠道菌群定植器的蠕动泵开启，泵入50ml定植菌液，用HCl (0.05M)和NaOH(0.1M)调节pH在5.5~6.0之间，料液在升结肠模拟罐中的体积为.500ml，反应时间为12~18h，然后连接升结肠模拟罐和横结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入横结肠模拟罐，随之横结肠模拟罐的磁力搅拌器开启，此时连接肠道菌群定植器的蠕动泵开启，泵入50ml定植菌液，用HCl (0.05M)和NaOH(0.1M)调节pH在6.0~6.5之间，料液在升结肠模拟罐中的体积为800ml，反应时间为24~30h，然后连接横结肠模拟罐和降结肠模拟罐的蠕动泵开启，料液泵入降结肠模拟罐，随之降结肠模拟罐的磁力搅拌器开启，降结肠模拟罐用HCl (0.05M)和NaOH(0.1M)调节pH在6.5~7.0之间，料液在降结肠模拟罐中的体积为600ml，反应时间为14~22h。以降结肠模拟罐内液体体积达到600ml后为系统达到平衡。模拟消化过程开始。 模拟吸收步骤如下:在模拟消化过程中，开启与聚乙二醇溶液试剂瓶相连接的蠕动泵，聚乙二醇溶液泵入模拟吸收系统，透析液随聚乙二醇溶液经硅胶管流入收集瓶。
8.根据权利要求7所述的模拟人体胃肠道消化吸收的方法，其特征在于:肠道菌群定植所需胶粒制备步骤如下: 取近3个月未接受抗生素治疗的健康男性新鲜粪便，用0.1 %蛋白胨溶液稀释成20 %粪水悬液，混匀，500r / min离心2min，取上清液，离心管保存。然后将结冷胶1.875g、黄原胶0.1875g，溶于75mL2g / L柠檬酸三钠溶液中，灭菌。冷却后转移至500mL无菌烧杯中，加入1.5mL菌悬液,混匀。加入150mL灭菌植物油,搅拌IOmin,加 0.1mol / L氯化|丐硬化，去油后再次硬化，纱网过滤，胶粒可以4°C避光保存。
9.根据权利要求7所述的模拟人体胃肠道消化吸收的方法，其特征在于:胃模拟器和小肠模拟器PH控制采用盐酸和碳酸氢钠，升结肠模拟器、横结肠模拟器和降结肠模拟器pH控制采用盐酸和氢氧化钠。
10.根据权利要求7所述的模拟人体胃肠道消化吸收的方法，其特征在于:聚乙二醇溶液配制如下: IL聚乙二醇溶液包含26.25g聚乙二醇4000，0.36g碳酸氢钠，0.7g氯化钠，用Imol /L氢氧化钠调节至pH9.5，聚乙二醇溶液流速为3mL / min。
【文档编号】C12M1/36GK103740589SQ201410010329
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】王海松, 孙进, 乐国伟, 施用晖, 成向荣, 唐雪 申请人:江南大学