一种失重环境下的仿生小肠消化系统

本发明涉及一种失重环境下的仿生小肠消化系统，属于仿生消化系统。

背景技术：

1、目前，随着我国航天事业的发展，航天员在空间站作业的时间将越来越长，航天环境是一个极为特殊复杂的环境，包括失重、辐射、低压及低氧等，由于低压低氧、太阳紫外线辐射等特殊环境因素可通过航天器屏障作用得到缓解，故失重是目前在航天工作中影响航天员身体健康的主要因素之一，也是研究者们最为关注的一种航天特殊环境。通过模拟不同环境下在体外模型中的消化过程，深入研究航天特殊环境中航天员的胃肠道消化以及生活问题，对于拓展和深化空间医学生物学发展、抢占学科前沿、提高我国空天领域生物制胜和生物防御能力具有重要意义。

2、现有体外消化技术通常使用静态消化或动态模拟消化装置。静态模型反应器具有结构简单、操作便携、造价低廉等优点，目前被广泛使用。常见的静态模型反应器是将烧杯放置在恒温磁力搅拌器上；或将锥形瓶放置在恒温震荡水浴槽中，通过搅拌或震荡模拟胃肠道的蠕动。但是静态模型反应器不能对人体胃肠道中动态消化过程进行模拟，无法控制严格的厌氧环境。

3、动态模型反应器能够对胃肠道中剪切、混合等物理过程进行模拟，还具有ph调控、物料流加、消化液分泌，代谢产物吸收等功能。目前主要的动态模型反应器主要有三种，其中tim是目前与人体胃肠道消化系统最相似的体外动态模型反应器，由tno胃小肠模型(tnogastro-intestinal model，tim-1)和tno胃模型(tno in vitro model of the colon，tim-2)组成。tim-2由四个相互连接的玻璃容器组成并形成一个循环回路，其内部为弹性壁，玻璃器壁与弹性壁之间通入循环水(模拟人体时循环水温度为37℃)，周期性地对循环水施加压力，弹性壁收缩并产生蠕动波从而使内容物得到混合并在反应器内流动。

4、国内的仿生小肠消化系统(bionic small intestinal reactor，bsir)，由三个连续的玻璃反应容器构成，按照十二指肠、空肠和回肠排列，隔室反应器安装硅胶小肠。中间件由加碱口、补料口、抽真空口、加样口、吸水装置、透析回流口、ph电极口构成。硅胶小肠与隔室器壁之间充满37℃恒温超纯水，来模拟人体真实温度。此外，通过循环水槽、蠕动泵周期性地进行挤压，模拟小肠蠕动。

5、但是，这些体外小肠模拟消化装置无法准确模拟失重环境下胃的蠕动情况与内部的消化进程，对于研究航天员小肠的肠道健康无法反应可信数据，且液体挤压蠕动消化与人体小肠内的运动与真实情况相差较大，不能很好地模拟真实小肠。传统设备无法模拟食靡在十二指肠空肠回肠分段吸收问题。

6、同时，由于现有技术的模型在蠕动模拟过程中存在无法模拟小肠中真实的不规律的食靡流态技术缺陷，例如已公布的cn108318625a这件专利，只有一个出水口和一个进水口，在模拟蠕动时，仿生硅胶膜只受到垂直的力，导致模拟食靡无规则流动过程效果不好。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种失重环境下的仿生小肠消化系统，与进样系统连接，所述仿生小肠消化系统包括结构相同且通过肠道连接泵并联的十二指肠模块、空肠模块、回肠模块，所述十二指肠模块包括直型反应器、分别与直型反应器两端通过法兰连接的第一筒形反应器和第二筒形反应器，所述第一筒形反应器和所述第二筒形反应器均具有至少三个进气口和至少三个出气口；所述仿生小肠消化系统悬浮于水槽。

2、进一步地，所述进样系统包括蠕动泵、与所述蠕动泵连接的样品瓶和酸碱瓶，所述蠕动泵连接直型反应器。

3、进一步地，所述直型反应器具有进样口、电极口、显微镜口、尾气分析口，所述进样口与所述蠕动泵连接，所述电极口插有ph电极，所述显微镜口插有显微镜探头，所述尾气分析口插有尾气分析探头，所述尾气分析探头能够检测弧形反应器具中反应产生的混合气体的组分浓度。

4、在本发明的一种实施方式中，所述水槽中盛有的液体是密度为3-4mol/l的盐水。

5、进一步地，所述仿生小肠消化系统内设置有从所述直型反应器内腔分叉延伸至第一筒形反应器内腔、第二筒形反应器内腔的仿生硅胶肠道，所述仿生硅胶肠道从第一筒形反应器内腔、第二筒形反应器内腔伸出后固定于第一筒形反应器的出口和第二筒形反应器的出口，所述第一筒形反应器的出口和第二筒形反应器的出口位于所述第一筒形反应器和第二筒形反应器远离所述直型反应器的一端。

6、在本发明的一种实施方式中，所述第一筒形反应器和所述第二筒形反应器均具有四个出气口和四个进气口且均连接有球阀，每个所述球阀均连接温控系统和plc控制系统。

7、进一步地，所述仿生小肠消化系统设置有液位传感器；所述第一筒形反应器的出口和第二筒形反应器的出口均连接有转接头和输出管，所述输出管上连接有鲁尔接头。

8、应当理解，所述仿生硅胶肠道是由硅胶材质制成的具有弹性的套袋结构，其可以外翻固定于法兰外侧；设置鲁尔接头的作用是方便取样。

9、应当理解，在进气口和出气口上设置球阀的目的是便于控制蠕动情况；设置温控系统是为了控制反应器的温度维持在37.5-38范围，目的是模拟真实人体胃肠道温度。

10、在本发明的一种实施方式中，所述十二指肠模块与空肠模块之间的流速为10-20ml/min，空肠模块与回肠模块之间的流速为30-60ml/min。

11、在本发明的一种实施方式中，所述仿生小肠消化系统在进料后，通过进料系统分别调控十二指肠模块、空肠模块、回肠模块的ph处于5.2-5.8范围内、5.8-6.5范围内、6.5-7.8范围内。

12、本发明的有益效果：

13、本发明通过设置悬浮于水槽中的仿生小肠消化系统以构成模拟月球失重环境下的仿生小肠消化系统，不仅能够模拟航天员在月球失重环境下小肠中菌群分布和代谢情况，可深入研究航天员的肠道消化问题，并开发航天食品，而且实现了自动化，能够根据预先设定好的程序，plc控制样品、消化液和缓冲液的加入，仿生肠道消化系统的蠕动和排空，使操作更便捷。与传统模拟消化装置相比，本发明采用内套有柔性并具有弹性的硅胶仿生肠道的玻璃反应器，可以实现对样品的保温；同时，本发明通过设置多通道的进出气口以形成玻璃瓶与硅胶仿生肠道之间的循环气体的压力对硅胶仿生肠道的挤压，实现效果更佳的往复运动，从而更真实地模拟在真实肠道的蠕动的情况下食物的消化；另外，本发明的直型反应器设置有多个插口，实现了对样品在模型内变化过程的实时观测，能够直接得到过程数据，该过程数据的收集能够为优化模型的操作参数提供参考；并且，各部分相对独立，方便拆卸和组装。

技术特征：

1.一种失重环境下的仿生小肠消化系统，与进样系统连接，其特征在于，所述包括结构相同且通过肠道连接泵并联的十二指肠模块、空肠模块、回肠模块，所述十二指肠模块包括直型反应器、分别与直型反应器两端通过法兰连接的第一筒形反应器和第二筒形反应器，所述第一筒形反应器和所述第二筒形反应器均具有至少三个进气口和至少三个出气口；所述仿生小肠消化系统悬浮于水槽。

2.根据权利要求1所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述进样系统包括蠕动泵、与所述蠕动泵连接的样品瓶和酸碱瓶，所述蠕动泵连接直型反应器。

3.根据权利要求2所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述直型反应器具有进样口、电极口、显微镜口、尾气分析口，所述进样口与所述蠕动泵连接，所述电极口插有ph电极，所述显微镜口插有显微镜探头，所述尾气分析口插有尾气分析探头，所述尾气分析探头能够检测弧形反应器具中反应产生的混合气体的组分浓度。

4.根据权利要求1或3所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述水槽中盛有的液体是密度为3-4mol/l的盐水。

5.根据权利要求3所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述仿生小肠消化系统内设置有从所述直型反应器内腔分叉延伸至第一筒形反应器内腔、第二筒形反应器内腔的仿生硅胶肠道，所述仿生硅胶肠道从第一筒形反应器内腔、第二筒形反应器内腔伸出后固定于第一筒形反应器的出口和第二筒形反应器的出口，所述第一筒形反应器的出口和第二筒形反应器的出口位于所述第一筒形反应器和第二筒形反应器远离所述直型反应器的一端。

6.根据权利要求5所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述第一筒形反应器和所述第二筒形反应器均具有四个出气口和四个进气口且均连接有球阀，每个所述球阀均连接温控系统和plc控制系统。

7.根据权利要求6所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述仿生小肠消化系统设置有液位传感器。

8.根据权利要求6所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述第一筒形反应器的出口和第二筒形反应器的出口均连接有转接头和输出管，所述输出管上连接有鲁尔接头。

9.根据权利要求1所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述十二指肠模块与空肠模块之间的流速为10-20ml/min，空肠模块与回肠模块之间的流速为30-60ml/min，第一筒形反应器和第二筒形反应器的蠕动压缩频率为3-5次/分钟，空气的充气量为500ml-1l，流速为2-4l/min，压缩幅度为2-4cm。

10.根据权利要求1或9所述的一种失重环境下的仿生小肠消化系统，其特征在于，所述仿生小肠消化系统在进料后，通过进料系统分别调控十二指肠模块、空肠模块、回肠模块的ph处于5.2-5.8范围内、5.8-6.5范围内、6.5-7.8范围内。

技术总结本发明涉及一种失重环境下的仿生小肠消化系统，属于仿生消化系统技术领域。本发明提供了一种失重环境下的仿生小肠消化系统，包括结构相同且通过肠道连接泵并联的十二指肠模块、空肠模块、回肠模块，所述十二指肠模块包括直型反应器、分别与直型反应器两端通过法兰连接的第一筒形反应器和第二筒形反应器。本发明通过设置悬浮于水槽中的仿生小肠消化系统以构成模拟失重环境下的仿生胃消化系统，不仅能够模拟航天员在失重环境下胃中菌群分布和代谢情况，可深入研究航天员的胃肠道消化问题，并开发航天食品，而且实现了自动化，能够根据预先设定好的程序，PLC控制样品、消化液和缓冲液的加入，仿生胃消化系统的蠕动和排空，使操作更便捷。技术研发人员：高敏杰,叶荣泰,李志涛,刘晨阳,周宇驰,蒋芸受保护的技术使用者：江南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13