模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及动物消化道体外模拟的技术领域，尤其是指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。
【背景技术】
[0002] 人类和动物的消化道体外模拟装置的不断推广，为食品及饲料科学，人类与动物 营养学的研宄提供了巨大的方便，逐渐被学术界接受，某些模拟装置甚至可以作为生产设 备，生产需要肠道环境或肠菌激活的某些活性物质。
[0003] 现在已公开的多个消化道模拟装置设计上均有很大相似：核心部件都是一至数 个密封反应容器，用于模拟消化道的特定部位。由有限几种设备，如恒温水套层，蠕动泵， 磁力搅拌器等动作部件，及PH，温度等传感器，对容器内环境进行控制，以实现模拟人类及 动物消化道环境的目的。各个研宄团队根据自己对动物消化道的不同理解，设计出多种 连接反应容器的方式及控制方案，从而形成各自的实验模型。如SHME系统采用5个反 应罐，以A-B-C-D-E串联形式连接。余应新等人设计的系统在SHME的基础上加入一个 新的，模拟口腔的环节，同样是串联连接（F-A-B-C-D-E)。OlegPaliy等人则只用了 3个 反应罐（C-D-E)模拟大肠阶段。LarryE.Robinson的系统用了平行的结构以方便空白对 照（AA-BB-CC-DD-EE)。TomVandeWiele等人设计的系统则只在大肠阶段采用空白对照 (A-B-CC-DD-EE)。AnninaZihlerBerner的设计引入一个预发酵罐概念，将菌液提前发酵 后与模拟胃部食物混合，以模拟大肠菌群（A-B(-G)-C-D-E)。更多的情况下，研宄团队采用 单个反应容器模拟某一特定肠段。部分国外团队开发出相应的控制软件，实现了装置随时 间或逻辑关系的程序控制。
[0004] 然而，现阶段体外消化道模拟装置的研制及开发存在下述问题：1、此领域研宄仍 处于初期，尚未成熟。在可预见的未来，现有装置在设计上不可避免遇到结构调整或修改。 各个反应容器的连接设置，也必然随研宄的深入而变化。同时，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。而现有装置结构都相对封 闭，并无更换与升级的设计，缺乏扩展性，为未来模型的改进和演变造成困难。2、尚未有任 何一种模型或装置处于相对主流或广泛认可的地位，不同研宄团队往往只拥有自己开发搭 建的模型，无法搭建或购买其它研宄组使用的模型作对比或验证，因此每个模型都缺乏第 三方实验室横向验证条件。使用模拟器进行的研宄，可信度及可重现性均受影响，也对此类 装置的推广应用造成负面影响。3、不同研宄团队即使采用同一模型，由于搭建模拟装置的 硬件不同，造成的差异可能累积，直至影响实验结果的可重复性。如：蠕动泵内乳胶管的内 管径，模型中并无规定，各团队搭建时按照自己的设计选用。而研宄表明，菌液通过不同口 径乳胶管时，可能对细菌生物膜造成不同程度的剪切作用，进而对菌群构成产生影响。只有 采用规范统一实验设备标准，才能保证实验结果的高可重复性。4、现在国外已公开的，为数 不多的，能实现程序控制的装置，软硬件均为严格意义上的封闭式开发，软件只针对特定的 硬件系统，完成单一任务。如需对硬件进行修改或更新，既有软件都无法支持，必须重新开 发，造成资源浪费。5、国内已有的模拟装置专利，均未详细描述软件控制的具体实现办法， 更未描述软硬件扩展的具体实现办法。6、现有装置无法实现设置与实验参数的保存与分 享，仍需要手动输入多个参数。随着模拟装置的不断完善与发展，为了更精确模拟消化道随 时间产生的动态变化，未来需设定的参数可能多达数千，全部手动输入难以实现。将试验参 数打包为独立配置文件，在搭建好的相同平台上直接调用，不仅便于重复实验，也可极大减 少研宄者工作量及出错的可能。7、构成现在大部分模拟装置的设备，如蠕动泵，磁力搅拌器 等，都不是为消化道模拟工作而专门设计，在功能上有很多缺陷。如大部分成品独立蠕动泵 均不具备上位机控制功能，磁力搅拌器不能连续工作10小时以上（肠道模拟装置中，磁力 搅拌器需要能连续工作至少200小时）。多个设备往往含各自的外壳，支架，电流变压器，保 险丝，开关，按钮，显示屏等重复部件。如果能只保留这些设备的核心部分，并实现统一供电 和控制，能大大减少元件冗余，降低整体成本，防止设备间的冲突。8、构成现有大部分模拟 装置的设备，如蠕动泵，磁力搅拌器，pH自动控制仪，在外观，体积等参数上未进行优化，不 仅连接困难，控制分散，且占用巨大空间，有的甚至需要占用整个实验台。在长达数周的运 行过程中，还要避免设备受到外界物理碰撞或微生物污染，增加了使用难度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种结构紧凑可靠、节省空 间、操作安装方便快捷、实验精准的模块化动物消化道体外模拟系统及其人类肠道模拟方 法。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其模块化动物消化道体外模拟系统， 包括至少一个动物消化道体外模拟单元，每个动物消化道体外模拟单元均包括有框架、用 于模拟特定消化道空腔的反应罐及多个能完成肠道模拟中一个具体且相对独立任务的功 能模块，其中，所述框架上设有多个用于安装功能模块以及反应罐的安装位，且所述功能模 块和反应罐可拆卸装于该框架上；每个功能模块由单独的Arduinonano328作为控制芯 片，通过USB串口接受上位机指令，USB同时对控制芯片进行供电，连接USB电源而未连接上 位机时，也能通过模块上的物理按钮使用预设的强制手动功能，以用于调试，而连接上位机 并完成初始化的功能模块能根据指令完成指定功能；上位机通过USB串口发送给每个下位 机的命令，为可扩展的ACSII明码指令，指令以大写字母打头，表示指令类型，紧跟一位阿 拉伯数字的参数，多个子指令由逗号隔开同时传输，子指令执行顺序不分先后，指令从功能 上分为：1、动作指令集，功能模块的单片机接收到动作指令后按照参数运行每个动作部件； 2、询问指令集，单片机接收到询问指令后产生应答，向上位机报告每个部件运行状态，或者 功能模炔基本情况。询问指令无参数，动作指令和询问指令能够同时混合发出，但动作指令 应在询问指令之前，以确保下位机汇报的是已更改后的状态。下位机接收到USB串口接收 到询问指令后发出应答，报告功能模块信息或者功能模块运行状态，上位机收集应答后判 断下一步操作。指令的实现过程由功能模块内部的单片机进行翻译解析完成，上位机不负 责具体实现过程。单片机的固化程序，以Arduino专用语言通过USB串口写入；不同功能 模块对应不同固件，固件通过接受上位机指令，控制各部件完成功能模块所需要完成的任 务，每个功能模块内包含完成模块任务所需要的电子或者机械元件，单片机根据接收到的 指令，按照程序转换为这些元件运行所需脉冲或电压信号，完成特定的动作。
[0007] 所述功能模块包含传感器或运动部件，或同时包含二者；一个功能模块能实现以 下功能之一：
[0008] 1)pH控制：控制pH值，功能模块中的pH芯片收集pH电极电压，传给上位机，在达 到上限时上位机启动蠕动泵注入稀释的碱液；
[0009] 2)液面高度控制：控制反应罐内液体总体积，指定液面目标值、最小值、最大值， 若液面低于最小值，则锁定蠕动泵不转；若液面高于最大值，则启动蠕动泵将反应罐内液体 抽入下一反应罐，直到达到液面目标值；
[0010] 3)水温控制：控制反应罐内液体温度，设定目标值、最大值、最小值，检测传感器 传回的温度，若温度低于最小值，则报警；若温度高于指定最大值，则断开继电器以停止循 环泵向水夹层内注入热水；
[0011] 4)气体组分控制：检测容器内氧分压，自动通入氮气以排空氧气，使用氧气传感 器，设定最大值，定时打开抽气泵进行气体采样，检测氧气传感器传回的氧气浓度信息，若 高于最大值，则自动打开电控氮气阀进行吹氮工作，吹氮工作完成后，重新采样检测，若已 低