基于人的體外模擬胃消化系統(tǒng)的構(gòu)建及評(píng)價(jià).pdf

1、本研究以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)及構(gòu)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(gòu)建。這些體內(nèi)的主要特征被轉(zhuǎn)化為一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的體外機(jī)器模型，在不同情況下模擬胃中的動(dòng)力、頻率和胃液分泌的參數(shù)圖形，以及胃的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的蠕動(dòng)波。人工胃的測(cè)量參數(shù)與人體胃的生理參數(shù)比較，結(jié)果表明人工胃可以在體外環(huán)境下非線(xiàn)性的動(dòng)態(tài)模擬人胃中食物的消化過(guò)程。為食品工業(yè)

2、的營(yíng)養(yǎng)與消化的體外實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。論文在以下幾個(gè)方面展開(kāi)了系統(tǒng)研究:
　　(1)全數(shù)字化人胃物理模型的構(gòu)建。用水溶性材料和3D打印技術(shù)制作了胃的硅膠模型，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和構(gòu)建人工胃系統(tǒng)，改系統(tǒng)主要包含以下結(jié)構(gòu):機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)壓縮系統(tǒng)、胃液的分泌和進(jìn)樣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)不斷的改進(jìn)和優(yōu)化人工胃的關(guān)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(shí)胃的動(dòng)態(tài)胃消化過(guò)程。其中，機(jī)械傳動(dòng)

3、系統(tǒng)可為人工胃的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，電動(dòng)壓縮裝置可模擬胃的蠕動(dòng);通過(guò)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(jìn)樣均由計(jì)算機(jī)控制的注射泵和蠕動(dòng)泵按特定的程序進(jìn)樣，溫度控制系統(tǒng)可使整個(gè)模型處在37℃的恒溫條件下。
　　(2)凝膠小球人工胃消化評(píng)價(jià)模型研究。為了探究食物在胃消化的過(guò)程中的真實(shí)受力大小，定量的重現(xiàn)體內(nèi)人胃的磨削力。我們?cè)O(shè)計(jì)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(shè)置硬度梯度(0.15N)的凝膠小球，將小球在人工胃中進(jìn)行高黏度和低黏度兩種食品體系的模擬消化實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)殘留在胃中完整小球的數(shù)量，得到每次實(shí)驗(yàn)中殘留在胃中的完整小球的數(shù)量與消化時(shí)間的關(guān)系，對(duì)重復(fù)測(cè)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(shí)間推測(cè)其在人工胃中的實(shí)際受力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明體內(nèi)人胃的磨削力能夠用人工胃進(jìn)行模擬;人工胃中

5、測(cè)得的小球的平破裂時(shí)間數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中報(bào)道的人體志愿者中的觀測(cè)數(shù)據(jù)作比較，兩者具有明顯的相關(guān)性，高粘度和低粘度兩種食品體系中的相關(guān)系數(shù)分別為0.8578和0.6778;實(shí)現(xiàn)了人工胃通過(guò)擠壓胃壁產(chǎn)生的力在真實(shí)人胃的收縮力0.35N～0.95N的范圍內(nèi)。
　　(3)基于真實(shí)食物對(duì)象的人工胃消化過(guò)程評(píng)價(jià)探索。選取煮熟的米飯為消化對(duì)象，利用人工胃實(shí)時(shí)觀察和研究米飯的消化過(guò)程。主要集中在實(shí)時(shí)分析在模擬胃蠕動(dòng)時(shí)米飯顆粒間的解體和相互作用。主要對(duì)消

6、化過(guò)程中的食物成分（包括消化后典型粒級(jí)圖像、固形物含量、平均粒徑等）和胃電解質(zhì)溶液的物理特性（包括運(yùn)動(dòng)黏度、剪切黏度）進(jìn)行了研究，提供米飯?jiān)谌斯の钢邢膭?dòng)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(guò)程中的優(yōu)越性，也進(jìn)一步證實(shí)了人工胃能夠模擬真實(shí)的人胃消化中蠕動(dòng)對(duì)食物產(chǎn)生的剪切力。
　　綜上所述，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了體外模擬人胃消化的系統(tǒng)人工胃，并通過(guò)定量控制作用于人工胃胃壁的壓縮力和模擬胃的運(yùn)動(dòng)頻率，程