體外仿生大鼠胃的功能性材料的實(shí)用性研究

陳利丁，黃靜帥，董國(guó)文，陳曉東

（1.蘇州大學(xué)材化部化學(xué)工程與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇蘇州215123；2.三明學(xué)院資源與化工學(xué)院，福建三明365004）

體外仿生大鼠胃的功能性材料的實(shí)用性研究

陳利丁1，黃靜帥1，董國(guó)文2，陳曉東1

（1.蘇州大學(xué)材化部化學(xué)工程與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇蘇州215123；2.三明學(xué)院資源與化工學(xué)院，福建三明365004）

優(yōu)選適合制備體外仿生大鼠胃柔性模型的功能性硅膠材料。采用四種不同硬度的功能性硅膠材料制作成三種厚度的硅膠片，并制作了相應(yīng)的大鼠胃柔性模型，利用色差儀、質(zhì)構(gòu)儀、拉壓力試驗(yàn)機(jī)以及灌胃實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品的透明度、延展性和拉伸特性進(jìn)行表征。結(jié)果表明：在相同硬度下，硅膠片的透明度和延展性隨著其厚度的增加而遞減；而在相同厚度下，不同硬度硅膠片的透明度差異不大，但其最大拉伸形變量和延展性隨硬度增大而減小。其中，硬度為10A的功能性硅膠Dragon Skin的半透明程度最高、延展性最好、抗撕扯、易回彈，且具有一定的容受性舒張的功能，因此適用于制作成體外仿生大鼠胃柔性模型。模型的前胃部分厚度定為0.32 M M，腺胃部分厚度定為0.46 M M。

體外仿生大鼠胃;形態(tài)仿生;功能性硅膠;容受性舒張;回彈性

大鼠具有易飼養(yǎng)、繁殖快和對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏敏感等特點(diǎn)，是生物、醫(yī)學(xué)、食品等研究領(lǐng)域中最常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物之一[1]。然而由于動(dòng)物個(gè)體差異大，導(dǎo)致樣本需求量多、花費(fèi)多、工作量大等不可彌補(bǔ)的缺點(diǎn)，并且還有倫理方面的限制[2]。柔性體外仿生消化道是利用硅膠或乳膠等柔彈性材料制作出的消化器官模型[3]。通過在柔性體外仿生消化道上施加水力或機(jī)械作用力，達(dá)到模仿真實(shí)消化道的蠕動(dòng)過程的目的，使之更真實(shí)地模擬消化過程。采用體外仿生消化可以對(duì)真實(shí)消化過程進(jìn)行模擬，在“前測(cè)試”中預(yù)測(cè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，部分替代甚至完全替代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在消除倫理道德問題的同時(shí)降低了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，并提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。因此，發(fā)展一套可靠的大鼠消化道體外仿生系統(tǒng)已迫在眉睫。

目前國(guó)內(nèi)外已研發(fā)出的柔性體外仿生胃系統(tǒng)例如TIM-1、HGS和GDS都忽略了胃的真實(shí)形態(tài)對(duì)體外消化過程的影響[4-6]。然而，不管是胃的解剖結(jié)構(gòu)還是生理功能，不同哺乳類動(dòng)物的胃都相差甚遠(yuǎn)[7]；此外，Chen等通過具有人胃形態(tài)的RD-IV-HSM系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)胃的固有形態(tài)顯著影響了食糜的排空順序[8]，因此體外仿生胃應(yīng)當(dāng)具備所模仿的動(dòng)物胃的固有形態(tài)。大鼠胃是單室胃，分為前胃和腺胃兩部分（如圖1所示），這兩個(gè)部分由一圈被稱為“界限嵴”的皮區(qū)折疊隔開。前胃的胃壁薄、肌肉結(jié)構(gòu)弱并且不含分泌腺；而另一側(cè)腺胃的胃壁上則富有血管、肌肉，并覆蓋著絲絨狀胃腺，內(nèi)壁粘膜呈縱行褶皺狀[1]。前胃的一個(gè)最重要的生理功能就是儲(chǔ)存食物，它能在3小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存食料[9]，因此前胃的延展性遠(yuǎn)大于腺胃：在空腹?fàn)顟B(tài)下，大鼠的前胃部分小于腺胃部分；但在飽腹?fàn)顟B(tài)下，前胃的體積可延展到整個(gè)胃部的三分之二，該功能也被稱為前胃的容受性舒張?zhí)匦訹10]。腺胃是大鼠胃進(jìn)行消化的主要部分：胃壁的環(huán)狀收縮從界限脊開始逐漸向幽門蠕動(dòng)[11]，使胃竇內(nèi)的食物被研磨破碎，并與由腺胃內(nèi)壁分泌的胃液進(jìn)行混合，而胃液對(duì)食物的軟化和侵蝕進(jìn)一步消化食物[12]。由于目前尚未有人對(duì)制作胃的柔性材料是否能重現(xiàn)胃的真實(shí)生理功能進(jìn)行研究，因此本研究選用4種不同硬度（10、20、30、40 A）的硅膠制作硅膠片，對(duì)其透明度、延展性、彈性、拉伸強(qiáng)度和斷裂點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行比較；進(jìn)而選擇合適的功能性硅膠材料來制作體外仿生大鼠胃柔性模型，以期實(shí)現(xiàn)真實(shí)大鼠胃的前胃容受性舒張和腺胃收縮彈性高的功能。

圖1大鼠胃的解剖結(jié)構(gòu)[1]

1材料與方法

1.1材料

本實(shí)驗(yàn)選用四種半透明的功能性硅膠材料，其硬度以邵氏硬度表示，分別為10 A（1∶1，Dragon Skin,羅氏貿(mào)易有限公司,澳大利亞)、20和30A（50∶1，東莞匯洲高分子材料有限公司）、40 A（10∶1，深圳市億品藝品模型材料有限公司）。大米（絲苗米，福臨門，中糧集團(tuán)有限公司），食用色素（女皇胭脂紅，澳大利亞）。

1.2儀器

色差儀（CR-400，柯尼卡美能達(dá)，日本）、質(zhì)構(gòu)儀（CT-3，博勒飛，美國(guó)）、電腦式拉壓力試驗(yàn)機(jī)（KJ-1065，科建儀器有限公司）、照相機(jī)（550D，佳能，日本）、單通道注射泵（SPLab01，保定申辰泵業(yè)有限公司）。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1不同厚度硅膠片的制作與性能分析

分別配置5、10和20 mL硅膠生膠，抽去氣泡后平鋪在光滑的四氟板上，105℃加熱2 h，接著對(duì)其厚度、透明度、延展性和拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)厚度制作一定數(shù)量的硅膠片，提供30個(gè)檢測(cè)部位，結(jié)果顯示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。硅膠片的厚度和透明度分別用游標(biāo)卡尺和色差儀進(jìn)行檢測(cè)。硅膠片的延展性用Φ25.4M M的尼龍圓球探頭做質(zhì)構(gòu)儀壓縮模式檢測(cè)，硅膠片用TA-DE延展性?shī)A具固定在TA-BT-KIT夾具基臺(tái)上，球形探頭的壓縮速度設(shè)為0.5M M/s、壓縮距離20M M。硅膠片的拉伸性能由拉壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，硅膠片待測(cè)樣品用試樣5 A模具壓割成條狀，拉伸速率設(shè)為50 M M/min。

1.3.2體外仿生大鼠胃柔性模型的制作

解剖飽腹大鼠，獲得大鼠胃，洗凈，灌入塑料使之膨大至飽腹?fàn)顟B(tài)下的平均大?。▓D2（a））[11]。翻模，制作出大鼠胃的樹脂模具（圖2（b））。接著將抽除氣泡的硅膠生膠灌入模具中，加熱固化形成半透明的體外仿生大鼠胃柔性模型。其中，前胃部分內(nèi)壁光滑（圖2（c））、腺胃部分內(nèi)壁充滿褶皺（圖2 （d））。柔性鼠胃模型的尺寸為38 M M×24 M M×15 M M（±1 M M），容積約為7.5 mL。

圖2體外仿生大鼠胃柔性模型

1.3.3前胃的延展性

大米與水1∶4混合，加入數(shù)滴食用色素染色，置于隔水燉盅中沸水烹煮30 min。接著將煮熟的米飯置于食品加工機(jī)中打碎（米糊粒徑563±469μm）。一次性注射器抽取染色米糊后固定在單通道注射泵上，針頭端連接一根硅橡膠軟管接入體外仿生大鼠胃的進(jìn)食管中，體外仿生大鼠十二指腸接通大氣壓。啟動(dòng)注射泵，并拍攝灌注過程中體外仿生大鼠胃形態(tài)的變化，直至米糊灌滿整只鼠胃并且倒灌入十二指腸。使用Image J軟件處理拍攝的圖片，前胃的延展性以灌注前后的前胃的陰影像素面積的增量來表示。米糊的灌注速度設(shè)為1.0 mL/min

1.3.4腺胃的回彈性

腺胃的回彈性用Φ20 M M的金屬圓柱探頭做質(zhì)構(gòu)儀壓縮模式檢測(cè)。將體外仿生大鼠胃置于TA-BT-KIT夾具基臺(tái)上，且柱形探頭正對(duì)腺胃部分，啟動(dòng)力0.8 g，探頭的壓縮速度1.0 M M/s、壓縮距離2.6 M M（真實(shí)鼠胃壁面收縮距離）、探頭收回速度10 M M/s。錄像，分析被擠壓的腺胃在壓力消失后的回彈性能。

2結(jié)果與分析

2.1硅膠片的透明度

常見的柔性功能性材料如橡膠、乳膠和硅膠，與其他柔性功能性材料相比，硅膠質(zhì)地柔軟、回彈力好、牢固、抗撕扯、不溶于水、不和酸堿起反應(yīng)、無粘性、耐高溫、可消毒，且具備一定的透明度，因此適用于制作體外仿生大鼠胃的模型。真實(shí)大鼠的前胃具有胃壁極薄且半透明的生理特征，因此制作體外仿生大鼠胃的前胃的功能材料在盡量薄的基礎(chǔ)上能夠具有很好的透明度，以便觀察胃內(nèi)的食糜變化情況。在本研究中，5、10和20 mL硅膠生膠所制得的硅膠片對(duì)應(yīng)的厚度分別為0.322±0.003、0.463±0.019和0.918± 0.024 M M。硅膠的硬度差異所造成的組間差異均小于3%，即硅膠的硬度對(duì)所制備的硅膠片厚度的影響不大。硅膠片的透明度由硅膠片與白紙之間的明度差值ΔL表示，如圖3所示，對(duì)同種硬度的硅膠，厚度愈大，硅膠片的透明度愈?。╬<0.001）；但對(duì)于同種厚度的硅膠片，硅膠的硬度對(duì)其透明度影響不大。因此，從透明度角度來考察，體外仿生大鼠胃的前胃厚度可以設(shè)定為0.32 M M，以獲得較好的觀察視野。

圖3 4種硬度3種厚度硅膠片的透明度

2.2前胃的延展性

真實(shí)大鼠的前胃具有特有的容受性舒張的生理特征，因此制作體外仿生大鼠胃的前胃的功能材料應(yīng)有較好的延展性。本研究采用不同硬度的硅膠制作成厚度為0.32 M M體外仿生大鼠前胃。由圖4可知，功能性硅膠前胃的厚度與硅膠片保持了近似的誤差（p>0.05），即前胃的物理特性可用近似厚度的同種材料制備的硅膠片的物理特性來表征。

圖4 4種硬度硅膠前胃與硅膠片的厚度

如表1所示，對(duì)同種硬度的硅膠片，厚度對(duì)最大拉伸形變量的影響并無顯著規(guī)律；但硬度為10 A的硅膠片的最大拉伸形變量遠(yuǎn)大于其他硬度的硅膠片，其中硅膠片厚度為0.32 M M時(shí)硅膠片的最大拉伸形變量最大，達(dá)到915%。如圖5所示，對(duì)于同一種硬度的硅膠片，球形探頭對(duì)硅膠片要達(dá)到相同的形變量，愈薄的硅膠片所需應(yīng)力愈小，即硅膠片的延展性愈大；而對(duì)于同種厚度的硅膠片，硅膠的硬度愈小，硅膠片的延展性愈大。因此，從硅膠片的拉伸特性和延展性角度考慮，硬度為10 A的硅膠可能較為適合用來制作前胃，并且前胃的厚度可設(shè)定為0.32 M M。

表1 4種硬度硅膠片的拉伸特性

圖5球形探頭對(duì)3種厚度的硅膠片的延展性

分別用4種硬度的功能性硅膠制作體外仿生大鼠胃的前胃部分，厚度設(shè)定為0.32 M M，內(nèi)壁光滑、透明度好（如圖2（c）所示）。前胃在灌胃前后的陰影像素面積的變化如表2所示：功能性硅膠的硬度愈小，前胃的延展性愈好，其中，硬度為10 A的前胃延展性最佳，注滿米糊后其陰影面積擴(kuò)大了近1/3，即該硅膠材料在一定程度上能重現(xiàn)前胃的容受性舒張的功能。綜上所述，硬度為10 A的功能性硅膠較為適用于制作體外仿生大鼠胃的前胃部分，且前胃部分的厚度應(yīng)設(shè)為最薄厚度的0.32 M M。

表2 4種硬度硅膠前胃在灌注前后的陰影像素面積

2.3腺胃的彈性

大鼠腺胃富有的肌肉組織在胃壁上產(chǎn)生收縮性蠕動(dòng)，促進(jìn)食物研磨和消化，所以制作腺胃部分的功能材料需要有較強(qiáng)的抗撕扯性能和回彈性。由表1可知，4種硅膠材料的拉伸強(qiáng)度（拉伸斷裂點(diǎn)應(yīng)力）均大于2.0 MPa，即四種硅膠材料都能滿足抗撕扯的需要。此外，在四種硬度下，0.46 M M厚度的硅膠片的拉伸強(qiáng)度均為該硬度最大，因此腺胃的厚度可選為0.46 M M。圖6所演示的是硬度為10A的腺胃的回彈特性：15 s時(shí)腺胃被探頭顯著壓縮至最低處，16 s時(shí)的圖片顯示腺胃在1 s內(nèi)彈回原型。另外3種硬度的腺胃都顯示出相似的回彈特性，即四種硬度的功能性硅膠材料都能滿足制作體外仿生大鼠腺胃柔性模型的需要。由于同種硅膠材料容易實(shí)現(xiàn)一體化粘合，因此制作腺胃的功能性材料也選用硬度為10 A的硅膠。

圖6厚度為0.47 M M的硅膠腺胃的回彈響應(yīng)時(shí)間

3小結(jié)與討論

本研究中，在相同硬度下，硅膠片的透明度和延展性隨著其厚度的增加而遞減；而在相同厚度下，不同硬度硅膠片的透明度差異不大，但其最大拉伸形變量和延展性隨硬度增大而減小。其中，硬度為10 A、厚度為0.32 M M的功能性硅膠Dragon Skin的延展性最好、透明程度最高，制作成的體外仿生大鼠前胃在灌胃后能增大約1/3的陰影面積。4種硬度的功能性硅膠所具有的抗撕扯和易回彈特性均符合制作體外仿生大鼠腺胃的需要，其中0.46 M M厚度的腺胃表現(xiàn)最佳。因此，為了實(shí)現(xiàn)大的柔性、彈性范圍、同時(shí)維持一定的透明度，制作體外仿生大鼠胃的功能性硅膠材料可暫定為硬度為10 A的Dragon Skin，并且前胃的厚度定為0.32 M M，腺胃厚度定為0.46 M M。雖然新的體外仿生大鼠胃柔性模型在一定程度上模仿了真實(shí)大鼠前胃的容受性舒張功能，但與真實(shí)情況仍有一定差距[10]。未來的研究方向是繼續(xù)尋找延展性更好的功能性硅膠材料，以及探究通過預(yù)折疊來獲得前胃較大的延展性的可能性。

［1］孫以方.醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)［M］．蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2005．

［2］YOO J，CHEN X．GIT Physio－cheMicalmodelling－critical review［M］．Auckland：Engineers Australia，2006．

［3］HUR S J，LIMB O，DECKER E A，et al．In vitro human digestion models for food applications［J］．Food CheMistry，2011，125：1－12．

［4］VERWEIM，MINEKUSM，ZEIJDNER E，et al．Evaluation of two dynaMic in vitro models simulating fasted and fed state conditions in the upper gastrointestinal tract（TIM－1 and tiny－TIM）for investigating the bioaccessibility of pharmaceutical compounds froMoral dosage forms［J］．International J ournal of P harmaceutic，2016，498：178－186．

［5］GUO Q，YE A，LAD M，et al．Disintegration kinetics of food gels during gastric digestion and its role on gastric emptying：an in vitro analysis［J］．Food＆Function，2015（6）：756－764．

［6］KOZU H，NAKATA Y，NAKAJIMA M，et al．Development of a h uman g astric d igestion s imulator e quipped with p eristalsis f unction for the d irect o bservation and a nalysis of the f ood d igestion p rocess［J］．Food Science and Technology Research，2014（20)：225－233．

［7］DESESSO J，JACOBSON C．AnatoMical and physiological parameters affecting gastrointestinal absorption in humans and rats［J］．Food and CheMical Toxicology，2001，39：209－228．

［8］CHEN L，XU Y，F(xiàn)AN T，et al．Gastric emptying and morphology of a'near real'in vitro human stomach model （RD－IV－HSM）［J］．Journal of Food Engineering，2016，183：1－8．

［9］GàRTNER K．The forestomach of rats and Mice，an effective device supporting digestivemetabolisMin muridae（review）［J］．Journal of Experimental Animal Science，2002，42：1－20．

［10］LENTLE R G，JANSSEN PW，GOH K，et al．Quantification of the effectsof the volume and viscosity of gastric contentson antraland fundic activity in the ratstomachmaintained ex vivo［J］．Digestive D iseasesand S ciences，2010，55：3349－3360．

［11］CHEN L，WU X，CHEN X D．Comparison between thedigestive behaviorsof a new in vitro rat soft stomach modelwith thatof the in vivo experimentation on living rats–motility and morphologicalinfluences［J］．Journalof Food Engineering，2013，117：183－192．

［12］KONG F，OZTOPMH，SINGH R P，et al．Physical changes in white and brown rice during simulated gastric digestion［J］．Journal of F ood S cience，2011，76：450－457．

(責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Practicability Study of the Functional Silicone Materials Used for Building the in vitro Rat Stomach

CHEN Li-ding1,HUANG Jing-shuai1,DONG Guo-wen2,CHEN Xiao-dong1

（1.School of Chemical and Environmental Engineering,College of Chemistry,Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University,Suzhou 215123，China；2.College of Resource and Chemical Engineering,Sanming University,Sanming 365004，China）

Siliconematerialswith four kinds of hardnesseswere studied in thiswork.They were used to make sheets and in vitro rat stomach with three kinds of thicknesses.Their transparency,ductility and tensile propertieswere evaluated. The ductility of the sheetswas reduced as the thickness and hardnesswas increased.The silicone named Dragon Skin(10A), which has the best field of view,high tear strength,good elasticity and some receptive relaxation,could apply to themaking of the in vitro rat stomach.As the transparency was influenced much by the thickness,affected little by hardness,the thickness of the forestomach and the glandular stomach could be setas 0.32 and 0.46M M.

in vitro ratstomach;morphology simulation;functional silicone;receptive relaxation;elasticity

TB32

A

1673-4343（2016）06-0057-07

10．14098／j．cn35－1288／z．2016．06．010

2016-08-08

江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目（1501093B）；福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目（2014Y0072）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目

陳利丁,女，福建福州人，講師，博士。主要研究方向：消化道的體外仿生系統(tǒng)研究。