模塊化動物消化道體外模擬系統及其人類腸道模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及動物消化道體外模擬的技術領域，尤其是指一種模塊化動物消化道體 外模擬系統及其人類腸道模擬方法。
【背景技術】
[0002] 人類和動物的消化道體外模擬裝置的不斷推廣，為食品及飼料科學，人類與動物 營養學的研宄提供了巨大的方便，逐漸被學術界接受，某些模擬裝置甚至可以作為生產設 備，生產需要腸道環境或腸菌激活的某些活性物質。
[0003] 現在已公開的多個消化道模擬裝置設計上均有很大相似：核心部件都是一至數 個密封反應容器，用于模擬消化道的特定部位。由有限幾種設備，如恒溫水套層，蠕動泵， 磁力攪拌器等動作部件，及PH，溫度等傳感器，對容器內環境進行控制，以實現模擬人類及 動物消化道環境的目的。各個研宄團隊根據自己對動物消化道的不同理解，設計出多種 連接反應容器的方式及控制方案，從而形成各自的實驗模型。如SHME系統采用5個反 應罐，以A-B-C-D-E串聯形式連接。余應新等人設計的系統在SHME的基礎上加入一個 新的，模擬口腔的環節，同樣是串聯連接（F-A-B-C-D-E)。OlegPaliy等人則只用了 3個 反應罐（C-D-E)模擬大腸階段。LarryE.Robinson的系統用了平行的結構以方便空白對 照（AA-BB-CC-DD-EE)。TomVandeWiele等人設計的系統則只在大腸階段采用空白對照 (A-B-CC-DD-EE)。AnninaZihlerBerner的設計引入一個預發酵罐概念，將菌液提前發酵 后與模擬胃部食物混合，以模擬大腸菌群（A-B(-G)-C-D-E)。更多的情況下，研宄團隊采用 單個反應容器模擬某一特定腸段。部分國外團隊開發出相應的控制軟件，實現了裝置隨時 間或邏輯關系的程序控制。
[0004] 然而，現階段體外消化道模擬裝置的研制及開發存在下述問題：1、此領域研宄仍 處于初期，尚未成熟。在可預見的未來，現有裝置在設計上不可避免遇到結構調整或修改。 各個反應容器的連接設置，也必然隨研宄的深入而變化。同時，隨著傳感器和精密控制技術 的進步，未來模型中必定出現更多可控制的部件或采集的信息。而現有裝置結構都相對封 閉，并無更換與升級的設計，缺乏擴展性，為未來模型的改進和演變造成困難。2、尚未有任 何一種模型或裝置處于相對主流或廣泛認可的地位，不同研宄團隊往往只擁有自己開發搭 建的模型，無法搭建或購買其它研宄組使用的模型作對比或驗證，因此每個模型都缺乏第 三方實驗室橫向驗證條件。使用模擬器進行的研宄，可信度及可重現性均受影響，也對此類 裝置的推廣應用造成負面影響。3、不同研宄團隊即使采用同一模型，由于搭建模擬裝置的 硬件不同，造成的差異可能累積，直至影響實驗結果的可重復性。如：蠕動泵內乳膠管的內 管徑，模型中并無規定，各團隊搭建時按照自己的設計選用。而研宄表明，菌液通過不同口 徑乳膠管時，可能對細菌生物膜造成不同程度的剪切作用，進而對菌群構成產生影響。只有 采用規范統一實驗設備標準，才能保證實驗結果的高可重復性。4、現在國外已公開的，為數 不多的，能實現程序控制的裝置，軟硬件均為嚴格意義上的封閉式開發，軟件只針對特定的 硬件系統，完成單一任務。如需對硬件進行修改或更新，既有軟件都無法支持，必須重新開 發，造成資源浪費。5、國內已有的模擬裝置專利，均未詳細描述軟件控制的具體實現辦法， 更未描述軟硬件擴展的具體實現辦法。6、現有裝置無法實現設置與實驗參數的保存與分 享，仍需要手動輸入多個參數。隨著模擬裝置的不斷完善與發展，為了更精確模擬消化道隨 時間產生的動態變化，未來需設定的參數可能多達數千，全部手動輸入難以實現。將試驗參 數打包為獨立配置文件，在搭建好的相同平臺上直接調用，不僅便于重復實驗，也可極大減 少研宄者工作量及出錯的可能。7、構成現在大部分模擬裝置的設備，如蠕動泵，磁力攪拌器 等，都不是為消化道模擬工作而專門設計，在功能上有很多缺陷。如大部分成品獨立蠕動泵 均不具備上位機控制功能，磁力攪拌器不能連續工作10小時以上（腸道模擬裝置中，磁力 攪拌器需要能連續工作至少200小時）。多個設備往往含各自的外殼，支架，電流變壓器，保 險絲，開關，按鈕，顯示屏等重復部件。如果能只保留這些設備的核心部分，并實現統一供電 和控制，能大大減少元件冗余，降低整體成本，防止設備間的沖突。8、構成現有大部分模擬 裝置的設備，如蠕動泵，磁力攪拌器，pH自動控制儀，在外觀，體積等參數上未進行優化，不 僅連接困難，控制分散，且占用巨大空間，有的甚至需要占用整個實驗臺。在長達數周的運 行過程中，還要避免設備受到外界物理碰撞或微生物污染，增加了使用難度。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足與缺陷，提供一種結構緊湊可靠、節省空 間、操作安裝方便快捷、實驗精準的模塊化動物消化道體外模擬系統及其人類腸道模擬方 法。
[0006] 為實現上述目的，本發明所提供的技術方案其模塊化動物消化道體外模擬系統， 包括至少一個動物消化道體外模擬單元，每個動物消化道體外模擬單元均包括有框架、用 于模擬特定消化道空腔的反應罐及多個能完成腸道模擬中一個具體且相對獨立任務的功 能模塊，其中，所述框架上設有多個用于安裝功能模塊以及反應罐的安裝位，且所述功能模 塊和反應罐可拆卸裝于該框架上；每個功能模塊由單獨的Arduinonano328作為控制芯 片，通過USB串口接受上位機指令，USB同時對控制芯片進行供電，連接USB電源而未連接上 位機時，也能通過模塊上的物理按鈕使用預設的強制手動功能，以用于調試，而連接上位機 并完成初始化的功能模塊能根據指令完成指定功能；上位機通過USB串口發送給每個下位 機的命令，為可擴展的ACSII明碼指令，指令以大寫字母打頭，表示指令類型，緊跟一位阿 拉伯數字的參數，多個子指令由逗號隔開同時傳輸，子指令執行順序不分先后，指令從功能 上分為：1、動作指令集，功能模塊的單片機接收到動作指令后按照參數運行每個動作部件； 2、詢問指令集，單片機接收到詢問指令后產生應答，向上位機報告每個部件運行狀態，或者 功能模炔基本情況。詢問指令無參數，動作指令和詢問指令能夠同時混合發出，但動作指令 應在詢問指令之前，以確保下位機匯報的是已更改后的狀態。下位機接收到USB串口接收 到詢問指令后發出應答，報告功能模塊信息或者功能模塊運行狀態，上位機收集應答后判 斷下一步操作。指令的實現過程由功能模塊內部的單片機進行翻譯解析完成，上位機不負 責具體實現過程。單片機的固化程序，以Arduino專用語言通過USB串口寫入；不同功能 模塊對應不同固件，固件通過接受上位機指令，控制各部件完成功能模塊所需要完成的任 務，每個功能模塊內包含完成模塊任務所需要的電子或者機械元件，單片機根據接收到的 指令，按照程序轉換為這些元件運行所需脈沖或電壓信號，完成特定的動作。
[0007] 所述功能模塊包含傳感器或運動部件，或同時包含二者；一個功能模塊能實現以 下功能之一：
[0008] 1)pH控制：控制pH值，功能模塊中的pH芯片收集pH電極電壓，傳給上位機，在達 到上限時上位機啟動蠕動泵注入稀釋的堿液；
[0009] 2)液面高度控制：控制反應罐內液體總體積，指定液面目標值、最小值、最大值， 若液面低于最小值，則鎖定蠕動泵不轉；若液面高于最大值，則啟動蠕動泵將反應罐內液體 抽入下一反應罐，直到達到液面目標值；
[0010] 3)水溫控制：控制反應罐內液體溫度，設定目標值、最大值、最小值，檢測傳感器 傳回的溫度，若溫度低于最小值，則報警；若溫度高于指定最大值，則斷開繼電器以停止循 環泵向水夾層內注入熱水；
[0011] 4)氣體組分控制：檢測容器內氧分壓，自動通入氮氣以排空氧氣，使用氧氣傳感 器，設定最大值，定時打開抽氣泵進行氣體采樣，檢測氧氣傳感器傳回的氧氣濃度信息，若 高于最大值，則自動打開電控氮氣閥進行吹氮工作，吹氮工作完成后，重新采樣檢測，若已 低