基于人的體外模擬胃消化系統(tǒng)的構建及評價.pdf

1、本研究以3D打印技術為基礎，設計及構建了一種在體外模擬人胃消化的系統(tǒng)——人工胃。用于研究食物（或模擬食物）在胃中的受力和分解情況。該系統(tǒng)是基于胃解剖的基本特征和攝入食品后生理變化而構建。這些體內的主要特征被轉化為一個計算機控制的體外機器模型，在不同情況下模擬胃中的動力、頻率和胃液分泌的參數(shù)圖形，以及胃的運動產(chǎn)生的蠕動波。人工胃的測量參數(shù)與人體胃的生理參數(shù)比較，結果表明人工胃可以在體外環(huán)境下非線性的動態(tài)模擬人胃中食物的消化過程。為食品工業(yè)

2、的營養(yǎng)與消化的體外實驗提供理論基礎和技術支撐。論文在以下幾個方面展開了系統(tǒng)研究:
　　(1)全數(shù)字化人胃物理模型的構建。用水溶性材料和3D打印技術制作了胃的硅膠模型，在此基礎上，設計和構建人工胃系統(tǒng)，改系統(tǒng)主要包含以下結構:機械傳動系統(tǒng)、電動壓縮系統(tǒng)、胃液的分泌和進樣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。通過不斷的改進和優(yōu)化人工胃的關鍵參數(shù)，如胃液的分泌速度、作用于胃壁壓縮力的大小等，使之更接近真實胃的動態(tài)胃消化過程。其中，機械傳動

3、系統(tǒng)可為人工胃的運動提供動力，電動壓縮裝置可模擬胃的蠕動;通過有規(guī)律的擠壓人工胃胃壁，控制其作用于胃壁的的壓力大小為2.52±0.15N和3.32±0.16N，且每分鐘產(chǎn)生3次壓縮循環(huán)。胃液的分泌和食物的進樣均由計算機控制的注射泵和蠕動泵按特定的程序進樣，溫度控制系統(tǒng)可使整個模型處在37℃的恒溫條件下。
　　(2)凝膠小球人工胃消化評價模型研究。為了探究食物在胃消化的過程中的真實受力大小，定量的重現(xiàn)體內人胃的磨削力。我們設計并定制

4、了直徑為1.27cm的正球形鋁模具，用瓊脂和瓜爾膠為原料，制作了破碎力為0.65N且上下設置硬度梯度(0.15N)的凝膠小球，將小球在人工胃中進行高黏度和低黏度兩種食品體系的模擬消化實驗，統(tǒng)計每個時間點殘留在胃中完整小球的數(shù)量，得到每次實驗中殘留在胃中的完整小球的數(shù)量與消化時間的關系，對重復測量的數(shù)據(jù)采用多元函數(shù)方差分析，從小球的破裂數(shù)量和平均破裂時間推測其在人工胃中的實際受力，實驗結果表明體內人胃的磨削力能夠用人工胃進行模擬;人工胃中

5、測得的小球的平破裂時間數(shù)據(jù)與文獻中報道的人體志愿者中的觀測數(shù)據(jù)作比較，兩者具有明顯的相關性，高粘度和低粘度兩種食品體系中的相關系數(shù)分別為0.8578和0.6778;實現(xiàn)了人工胃通過擠壓胃壁產(chǎn)生的力在真實人胃的收縮力0.35N～0.95N的范圍內。
　　(3)基于真實食物對象的人工胃消化過程評價探索。選取煮熟的米飯為消化對象，利用人工胃實時觀察和研究米飯的消化過程。主要集中在實時分析在模擬胃蠕動時米飯顆粒間的解體和相互作用。主要對消

6、化過程中的食物成分（包括消化后典型粒級圖像、固形物含量、平均粒徑等）和胃電解質溶液的物理特性（包括運動黏度、剪切黏度）進行了研究，提供米飯在人工胃中消化的動態(tài)信息。確定了人工胃與現(xiàn)有的體外消化模型相比在消化食物（尤其是固體食物）過程中的優(yōu)越性，也進一步證實了人工胃能夠模擬真實的人胃消化中蠕動對食物產(chǎn)生的剪切力。
　　綜上所述，本文設計并構建了體外模擬人胃消化的系統(tǒng)人工胃，并通過定量控制作用于人工胃胃壁的壓縮力和模擬胃的運動頻率，程