Макет желудочно-кишечного тракта

Полезная модель относится к лабораторно-испытательному оборудованию и может быть использована для моделирования и исследования биохимических процессов в желудочно-кишечном тракте различных организмов.
Известна желудочно-кишечная модель (TIM), разработанная Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO), содержащая две камеры с компьютерным управлением – TIM1 с четырьмя секциями, которые имитируют желудок, двенадцатиперстную кишку, тощую кишку и подвздошную кишку и TIM2, которая имитирует толстую кишку (см. Каленик Т.К., Текутьева Л.А., Сон О.М., Сенотрусова Т.А., Ли Н.Г. Методические и биотехнологические подходы к биотрансформации кормового витамина А. Материалы IX Международного Балтийского морского форума: в 6 т. Том 4. Калининград, 2021, с. 51-52).
Недостатками известного решения являются:
конструктивная сложность устройства из-за наличия нескольких секций, имитирующих различные сегменты ЖКТ, с необходимостью раздельного моделирования процесса пищеварения в каждой из них;
последовательное соединение секций подразумевает общую загрузку исходного материала через входной патрубок устройства и сквозную транспортировку указанного исходного материала по мере последовательной отработки процессов в сегментах ЖКТ, в том числе и через секции, незадействованные при моделировании процесса пищеварения;
на участке между секциями расположен только один порт (для отбора образцов), что исключает возможность корректирования характеристик исходного материала после его общей загрузки в устройство;
рукава, выполненные из латекса, отличаются низкой износостойкостью и подвержены значительной деформации с нарушением целостности, имеют, как правило, одноразовое использование.
При этом в качестве ближайшего аналога (прототипа) принята камера TIM2 вышеуказанной желудочно-кишечной модели (TIM), содержащая основание, на котором последовательно и соосно закреплены полые корпуса, герметично соединенные друг с другом с помощью промежуточной трубы, снабженной портом, причем в торцах каждого корпуса выполнены сквозные отверстия, через которые пропущен рукав из упруго деформируемого материала, жестко закрепленный по концам, полость которого сообщена с полостью промежуточной трубы, кроме того, каждый корпус снабжен патрубками подвода и отвода теплоносителя, которые сообщены с его полостью и подключены к источнику теплоносителя (см. https://www.thetimcompany.com/technology/the-tim-2/).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка устройства, позволяющего преодолеть недостатки аналога.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в расширении функциональных возможностей устройства в силу следующих факторов:
обеспечение возможности моделирования процесса пищеварения в разных сегментах желудочно-кишечного тракта в рамках одного реактора, сформированного из последовательно и соосно закрепленных элементов;
отсутствие секций, незадействованных при моделировании процесса пищеварения;
обеспечение возможности корректировки рН исходного материала во время моделирования процесса пищеварения за счет ввода кислоты и/или щелочи через отдельные порты промежуточной трубы.
Поставленная задача решается тем, что макет желудочно-кишечного тракта, содержащий основание, на котором последовательно и соосно закреплены полые корпуса, герметично соединенные друг с другом с помощью промежуточной трубы, снабженной портом, причем в торцах каждого корпуса выполнены сквозные отверстия, через которые пропущен рукав из упруго деформируемого материала, жестко закрепленный по концам, полость которого сообщена с полостью промежуточной трубы, кроме того, каждый корпус снабжен патрубками подвода и отвода теплоносителя, которые сообщены с его полостью и подключены к источнику теплоносителя, отличается тем, что полые корпуса выполнены в виде диоптров, внутри которых установлены рукава из силикона, а свободные торцы герметично соединены с входным и выходным патрубками соответственно, причем указанные патрубки снабжены клапанами и их полости сообщены с полостями соответствующих рукавов из силикона, кроме того, промежуточная труба оборудована портами для подключения датчика рН, для подключения датчика температуры, для отбора проб, для ввода щелочи и кислоты, кроме того, источник теплоносителя выполнен в виде емкости, наполняемой теплоносителем и снабженной насосом, нагревательным элементом и датчиками температуры и уровня теплоносителя.
Кроме того, общая продольная ось патрубков, диоптров и промежуточной трубы ориентирована преимущественно горизонтально.
Кроме того, патрубки подвода теплоносителя расположены в нижней части диоптров.
Кроме того, порт для отбора проб расположен в нижней части промежуточной трубы.
Сопоставительный анализ признаков заявляемой полезной модели с признаками прототипа и аналога свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы полезной модели обеспечивают расширение функциональных возможностей устройства.
Выполнение полых корпусов в виде диоптров позволяет применять стандартные комплектующие, при этом прозрачная стенка корпуса позволяет наблюдать за процессом.
Использование силикона для изготовления рукавов позволяет варьировать их прочность и эластичность.
Установка портов на промежуточной трубе позволяет регистрировать уровень рН и температуру в реакторе при автоматической корректировке указанных параметров и состава исходного материала согласно заданным параметрам моделирования процесса пищеварения.
Выполнение источника теплоносителя в виде емкости, наполняемой теплоносителем и снабженной насосом, нагревательным элементом и датчиками температуры и уровня теплоносителя обеспечивает прямой нагрев теплоносителя (в отличие от аналогов, где процесс нагрева был организован в виде водяной бани).
На фиг.1 показан опытный образец устройства.
На фиг.2 приведен вид сзади на участок промежуточной трубы.
На фиг.3 изображен рукав.
На фиг.4 показана установка рукава в полом корпусе.
На фиг.5 изображены диоптры при моделировании процесса пищеварения.
На фиг.6 изображена панель управления.
На фиг.7 изображен процесс установки времени начала и окончания цикла на панели управления.
На фиг.8 показана область на панели управления с температурами.
На фиг.9 показана область на панели управления с уровнями рН.
На фиг.10 изображена настройка параметров работы одного из перистальтических насосов.
На чертежах показаны основание 1, полые корпуса 2, промежуточная труба 3, рукава 4, патрубки подвода 5 теплоносителя, входной патрубок 6 с клапаном 7 и выходной патрубок 8 с клапаном 9, порты для подключения датчика рН 10 и датчика температуры 11, для отбора проб 12, для ввода щелочи 13 и кислоты 14 соответственно, емкость 15 с теплоносителем, ее насос 16 и датчики температуры 17 и уровня теплоносителя 18 соответственно, общая продольная ось 19 реактора, состоящего из входного 6 и выходного 8 патрубков, полых корпусов 2 и промежуточной трубы 3, электрические клапаны 20, перистальтические насосы 21.
На фиг.6, 8 и 9 отображены следующие значения:
температура в баке – текущее значение температуры теплоносителя в емкости 15 (°С), полученное посредством датчика температуры 17;
температура в реакторе – текущее значение температуры в реакторе (°С), полученное посредством датчика температуры, подключенного к соответствующему порту 11;
уставка t°С – значение температуры в реакторе (°С) для текущего цикла, которое устанавливают вместе с другими параметрами моделирования процесса пищеварения;
текущие показания РН – текущее значение уровня рН в реакторе, полученное посредством датчика рН, подключенного к соответствующему порту 10;
уставка РН 1 и рН в пределах каждого цикла – уровни рН в реакторе для текущего и указанного цикла соответственно, которые устанавливают вместе с другими параметрами моделирования процесса пищеварения.
На фиг.10 изображена вертикальная шкала, на которой посредством перемещения бегунков выставляют следующие настройки:
справа – объем разовой подачи жидкости (мл) для текущего цикла;
слева – длительность перемешивания (с).
Макет желудочно-кишечного тракта содержит основание 1, на котором герметично, последовательно и соосно закреплены входной патрубок 6, снабженный клапаном 7, полые корпуса 2, соединенные друг с другом с помощью промежуточной трубы 3, и выходной патрубок 8, снабженный клапаном 9, общая продольная ось 19 которых ориентирована преимущественно горизонтально.
Каждый полый корпус 2 выполнен в виде диоптра, в торцах которого выполнены сквозные отверстия (на чертежах не показаны), через которые пропущен рукав 4, выполненный из силикона и жестко закрепленный по концам. При этом полости рукавов 4 сообщены с полостью промежуточной трубы 3 и с полостями входного 6 и выходного 8 патрубков.
Кроме того, каждый полый корпус 2 снабжен расположенным в его нижней части патрубком 5 подвода теплоносителя и патрубком отвода теплоносителя (на чертежах не показан), которые сообщены с полостью указанного корпуса и подключены к источнику теплоносителя (в качестве последнего можно использовать дистиллированную воду), выполненному в виде емкости 15, наполняемой теплоносителем и снабженной насосом 16, нагревательным элементом (на чертежах не показан) и датчиками температуры 17 и уровня теплоносителя 18.
Промежуточная труба 3 оборудована портами для подключения датчика рН 10 и датчика температуры 11, портом для отбора проб 12, портами ввода щелочи 13 и кислоты 14 соответственно.
При этом порты 13, 14 с помощью силиконовых трубок (на чертежах не обозначены) через перистальтические насосы 21 подключены к емкостям с соответствующими жидкостями (на чертежах не обозначены).
Гидравлическая система макета содержит емкость 15 с теплоносителем, насос 16, электрические клапаны 20.
Блок управления в составе релейных модулей, процессора с программным обеспечением и панелью управления позволяет контролировать температуру и уровень теплоносителя в емкости 15 с помощью датчиков 17 и 18 соответственно, температуру и уровень рН в реакторе с помощью соответствующих датчиков, а также управляет работой электрических клапанов 20, насоса 16, нагревательного элемента, перистальтических насосов 21.
Пусконаладочные работы включают в себя следующие основные процессы.
1) Сборка реактора, для чего внутри полых корпусов 2 устанавливают соответствующие рукава 4 (см. фиг. 4) и затем указанные корпуса 2 соединяют с промежуточной трубой 3 и входным 6 и выходным 8 патрубками.
2) Проверка и настройка работы гидравлической системы:
подключают реактор к гидравлической системе макета, для чего патрубки подвода 5 и отвода теплоносителя с помощью пластиковых трубопроводов (на чертежах не обозначены), снабженных электрическими клапанами 20, подключают к емкости 15, причем патрубки подвода 5 теплоносителя подключают к емкости 15 через насос 16;
наполняют емкость 15 теплоносителем;
включают блок управления, запускают программное обеспечение на панели управления, проверяют наличие беспроводной связи между процессорной платой и панелью управления;
включают насос 16 и электрические клапаны 20 (которые во включенном состоянии открыты) и прокачивают гидравлическую систему теплоносителем, контролируя давление в гидравлической системе с помощью манометра (на чертежах не обозначен);
как только теплоноситель начал поступать из пластиковых трубопроводов, подключенных к патрубкам отвода, в емкость 15, выключают насос 16 и электрические клапаны 20;
проверяют уровень теплоносителя в емкости 15, при необходимости доливают теплоноситель в емкость 15.
3) Проверка и настройка работы механизма ввода жидкостей:
прокачивают силиконовые трубки, для чего на панели управления включают перистальтические насосы 21 и визуально наблюдают за заполнением указанных силиконовых трубок соответствующими жидкостями;
выключают перистальтические насосы 21, порты для ввода щелочи 13 и кислоты 14 с помощью силиконовых трубок подключают к емкостям с соответствующими жидкостями (на чертежах не обозначены).
4) Калибровка и установка датчиков:
производят первичную калибровку датчика рН с использованием базовых растворов с известными уровнями рН;
устанавливают датчик температуры в соответствующий порт 11.
Работа заявляемого устройства включает в себя несколько этапов.
I. Предварительный этап.
1. По известной методике подготавливают исходный материал в виде пищевой массы (подразумевается пережеванная пища, обильно смешанная со слюной и прошедшая пищевод), содержащей в своем составе исследуемое вещество (например, кормовые добавки).
2. Определяют и задают параметры моделирования процесса пищеварения, среди которых:
2.1. вид сегментов желудочно-кишечного тракта, которые имитируют диоптры;
2.2. количество циклов пищеварения и их длительность, причем время начала следующего цикла должно строго совпадать с временем окончания предыдущего цикла;
2.3. температура в реакторе для каждого цикла;
2.4. уровень рН в реакторе для каждого цикла;
2.5. параметры работы перистальтических насосов 21 – объем разовой подачи и длительность перемешивания для каждого цикла;
2.6. вид механического воздействия на рукава 4 – авторы разработали 3 стандартных режима перистальтики:
мягкий – осуществляют небольшие перистальтические воздействия для предотвращения образования осадка в реакторе;
средний – осуществляют качественное перемешивание исходного материала, применяется автоматически во время регулирования уровня рН;
жесткий – осуществляют максимально возможные силовые воздействия на исходный материал в реакторе, тем самым имитируя мышечную перистальтику сегментов желудочно-кишечного тракта.
II. Загрузка исходного материала в устройство.
Включают насос 16 и электрические клапаны 20.
С помощью насоса 16 заполняют полости корпусов 2 теплоносителем.
Закрывают клапан 9 выходного патрубка 8 и открывают клапан 7 входного патрубка 6.
Далее вводят подготовленный исходный материал через входной патрубок 6 до тех пор, пока воздух не удалится из рукавов 4 через открытый порт 10 для подключения датчика рН.
Продолжают вводить исходный материал в реактор при визуальном контроле до тех пор, пока уровень исходного материала не достигнет середины порта 10 для подключения датчика рН.
Причем при загрузке исходного материала излишки теплоносителя через открытые электрические клапаны 20 вытесняются из полых корпусов 2 в емкость 15.
Закрывают клапан 7 входного патрубка 6, излишки исходного материала на участке входного патрубка 6 до клапана 7 удаляют через специальный клапан (на чертежах не обозначен), расположенный в нижней части указанного патрубка.
Устанавливают датчик рН в соответствующий порт 10.
III. Моделирование процесса пищеварения включает четыре и более последовательных цикла, для каждого из которых подбирают параметры в соответствии с выбранным сегментом желудочно-кишечного тракта.
В рамках каждого цикла в одном из полых корпусов 2 с помощью насоса 16 увеличивают давление теплоносителя, соответственно размеры сжимаемого рукава 4 уменьшаются и часть исходного материала перемещается в другой рукав 4, увеличивая тем самым его размеры (см. фиг. 5).
При этом в течение каждого цикла:
регистрируют уровень рН в реакторе соответствующим датчиком и автоматически корректируют его значение за счет ввода щелочи и/или кислоты через порты 13, 14 с помощью перистальтических насосов 21;
регистрируют температуру в реакторе соответствующим датчиком и автоматически корректируют ее значение за счет изменения температуры теплоносителя в емкости 15;
можно произвести промежуточный забор проб исходного материала через порт для отбора проб 12.
IV. Выгрузка обработанного материала из устройства.
По завершении всех циклов моделирования процесса пищеварения открывают клапан 9, через выходной патрубок 8 выгружают обработанный материал из устройства и направляют его на дальнейшие лабораторные исследования.
V. Завершение работы устройства.
Выключают блок управления.
Сливают теплоноситель из гидравлической системы через пластиковый трубопровод и опорожняют полости корпусов 2.
Разбирают устройство, очищают его элементы, при необходимости меняют рукава 4.
Состав исходного материала, а также возможность изменения уровня рН и поддержание нужной температуры в реакторе позволяет с высокой достоверностью имитировать процесс секреции.
Перемещение исходного материала между рукавами с помощью изменения давления теплоносителя в диоптрах позволяет с высокой достоверностью имитировать процесс перистальтики.
Выгрузка обработанного материала из устройства позволяет с высокой достоверностью имитировать процесс опорожнения желудочно-кишечного тракта.
Для подтверждения возможности моделирования процесса пищеварения приведен следующий пример.
В качестве исходного материала использовали дистиллированную воду.
Моделировали два цикла процесса пищеварения, параметры которых приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры моделирования процесса пищеварения
<b>Название параметра, ед. изм.</b>
<b>Цикл 1</b>
<b>Цикл 2</b>
Длительность, мин.
30
20
Температура в реакторе, °С
40
40
Уровень рН в реакторе
5
9
Работа перистальтических насосов (средний режим):
1. для кислоты:объем разовой подачи, мл;длительность перемешивания, с
0,230
0,230
2. для щелочи:объем разовой подачи, мл;длительность перемешивания, с
0,330
0,330
Режим перистальтики
После перемешивания автоматически включается мягкий режим