陈晓东：17分钟详解"全方位仿生"模拟消化道
我叫陈晓东，是苏州大学化工与环境工程学院的老师，是个化学工程师。今天给大家讲《体外仿生消化道模型的发展与应用》。
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首先我讲讲大背景。做任何事情，我们都要知道为什么要做。
我给大家看这么一张图，可能你们没有见过这张图，这是我的原创。
在你的左边，你看到 t=0，实际上是在你出生的时候；在右边是 t=100，大概是 100 岁，100 岁够长了吧。那么我们现在谈什么？谈生活质量。
我们平常都知道 IQ（智商）和 EQ（情商）对我们的孩子、对我们自己都非常重要，但是我们很少谈到 LQ，LQ 就是 Life Quality（生活质量）。
Life Quality 对我们每个人来说都是重要的，不管你是聪明也好，不聪明也好，LQ 对你都非常重要。在这张图上，我们看到纵坐标就是 LQ，或者打个比方，就是开心与否。
每个人都有一个 100%的 LQ，那么看看我们这个曲线是怎么走的？
很有趣，我们在前面一半的生活里边，明显 LQ 一直在增加。你的知识在增加，你的爱好在增加，你的身体状态在增加，你个子在长高，你的朋友在增多，所以在这一段时间内，你的 LQ 一定是上升的，或者说在这个过程里边，你想要让 LQ 升高是非常容易的。
那么在这之后我们会发现，这事情没有那么简单。意思就是说，我们的 LQ 可能是要朝下走的。像刚才说的，在年轻的时候，你想让 LQ 增加很容易，有时候几天不睡觉，你也挺开心的。但是在这段时间以后，你想要维持你的 LQ、你的生活质量，那么这个时候就非常难了。
在这个情况下，实际上有很多的机会能够让你去发明创造，可以把 LQ 的水平提高。什么意思呢？我们可以在这个阶段，发明各种有人文关怀的创新产品，在这我不过多介绍。
我的目的是要谈食品，食品是不是 LQ 因子里最重要的呢？
我相信如果你吃饭吃得不舒服，吃得不愉快，那么你 LQ 肯定不会太高；但是吃多了，吃太多了，也不一定太好，所以这是个双刃剑。
那么双刃剑之一，我简单介绍一下所谓的糖尿病。我们大家都知道糖尿病，但是我们可能没有那么了解，那么在意。
糖尿病在中国实际上是非常重要的一个疾病，它占人口的比例超过 10%。中国得糖尿病的人加上印度得糖尿病的人的数量，是世界上第三大国家的人口数量，所以说是非常可怕的一个数字。
当然得了糖尿病，你不会马上就过去，所以好像很多人有糖尿病但还不是那么重视。
糖尿病最关键的一点是什么呢？不光是一个治愈不治愈的问题，难受不难受的问题，LQ 高和低的问题，还有一个就是糖尿病本身会给这个国家带来非常多的费用，一定要支撑你的 LQ，所以可能会导致一个国家在经济上的巨大损失。
那我们看看食品到底是什么呢？从工程角度去看，我们制作食品就需要从分子到分子去考虑问题。
首先，任何食物都是有它的化学组成、分子组成和各种功能。我们设计食品的时候，也是这么考虑的，就是说它哪个分子可能起到什么样的作用。
但是我们不是每天只喝汤，我们需要有各种体验。因为食品是 LQ 的一个重要的部分，那么我们就要加工形成一个结构。只有有了结构，我们才有体会，才有真正所谓的 LQ 体会，那么这个时候我们才能谈产品和功能。
产品功能如何实现呢？一定是要从嘴里吃进去的，那么一定要有一个体内的过程。因为如果不是体内的过程，只是针对营养、健康的角度，可能注射就可以了。但是食品是我们享受的最大部分之一，所以一定要从体内体会。
上图也是另外一个方式去描述，所谓“从分子到分子”那么一个过程。意思就是说，食品到体内的时候，实现我们最终的设计的功能，无论是自然采集的，还是加工过的，最终都要从口入。
那么我有一个非常简单的想法，就是把食品工程分成所谓“脖子以上的食品工程”和“脖子以下的食品工程”。我估计大家还是比较能够理解的。对大部分的工程来说或者加工生产的厂家来说，他们主要的关注点就是所谓的“脖子以上”，就是色香味。
“脖子以上”的食品加工已经有非常大的规模，非常的自动化，而且高技术、跨学科，关注色香味，在工程的水平上是非常高的。
但是“脖子以下”的历程就是非常艰难的。经过 N 年的发展，我们体会到这是一个多学科的过程。从工程上面去理解体内的消化吸收过程，也是在近几年的事情。
在国际上有一个非常大的组织，叫 Infogest，有几百个营养科学家、食品科学家 、工程师在一起合作。我们实验室就是其中的一个。
那么我现在再回退 100 步考虑，为什么化学工程师对于理解消化吸收食品这东西，有任何作用或者有任何贡献？我在这简单的解释一下。
在实验室里做的很多东西是在试管里面进行，我们叫化学。
如果我们让更多的人去体会在实验室里得出来的这个结果的话，就需要更大的一个试管。然后你会发现，在实验室里控制的温度、浓度等等，都非常容易均匀，但是在这种巨大的试管情况下，我如何把它做成非常均匀的产品呢？非常难！
如果我把自己再继续缩小，意思就是说，我们更加放大这个过程的时候，你会发现这个难度就极其地高了。那么这个工程上边是需要科学的。
从另一个角度看看所谓“从小到大”这个放大的过程，化工跟医学或者营养学有什么差距呢？
在左边，我们先看一个小鼠。化工的放大是同样的一个种群，如果小鼠太小，就把它变得更大，如果不够大就更大，直到最大的一个老鼠。
但是在医学上放大，你就看很有趣。从小鼠开始，小鼠不够大可能变成兔子，兔子不够大可能变成猪，如果猪完了以后，我们最后一个才放大到人。
你看这两种放大，好像都是科学的放大，但它们之间有很大的区别，所以在这之中一定有它的窍门。
我接下来谈的是，生物学启示下的化学工程研究，专门针对消化吸收的。那么，你会明白化学工程师在里边可能会起到什么样的作用，我做进一步展示。
我们现在看人体消化过程，基本都体现在这张图上。
我们的嘴是一个非常惊人的系统，它可以混合、破碎，有酶在里边起作用。最重要一点是，对我们 LQ 非常重要的是，它形成一个食团。如果没有食团，我们就没有吞的问题。没有吞的问题，就没有吃东西这么开心的事情。吃起来并不开心，一列一列地吞下去这种吃法是多么的不开心。
我们再往下看到有一个食管，食管是个非常牛的一个管道。绝大部分情况下，它是不会堵的。如果它经常容易堵塞的话，那我们 LQ 是不会高的。
再往下就发现有一个人胃，人胃也是一个混合、生化反应器，非常惊人。惊人到什么程度？它里边没有任何旋转键，没有我们人类非常骄傲的一个设计——就是没有一个转动设备在里边，也没有什么声音，不会说你开始吃饭了，它就产生各种嗡嗡的声音。实际上它是非常优秀的一个反应器。
再往下，我们就有小肠系统，后面还有大肠系统，蠕动、膜分离、酶固定、菌群、发酵等等所有这些东西，都在一个几乎一维的反应器系统里面。这在我们人类设计的系统里面，目前来说还并不存在。
那么它的分泌也是非常有意思的，因为它是分级的分泌。在不同的级的时候放不同的物质进去进行反应，所以这个是非常惊人的一个系统。
还有各种检测器、控制器，我们的神经系统等等，还有非常重要的解剖学的结构，在它任何的出口或者接口的地方，有很多事情我们都不知道。
如果把它工程化的话，你看着非常粗，但是非常有趣。嘴是搅拌器、破碎机等等，胃就是反应器，肠子就是膜分离，也是膜反应器等等。
大肠系统就非常有趣，升结肠是固体往上移，液体往下降，你想过没有液体到底去哪里了？液体存在那里到底干什么？比如，液体是不是在一个存老汤的地方，打个比方。
那么工程上还能做什么呢？现实中很难把人体解剖，然后理解这些非常多的细节，但是我们可以在计算机上实现这些细节，我们仔细地研究各个部位、各个解剖学的关键，到底起什么样的作用。
比如小肠绒毛，这是我们实验室做的模拟。绒毛到底起什么样的作用，可以做非常精细的研究。它的长短、运动方式、频率、吸收面积，还有它的各种酶的存在等等。
这张图给大家演示一下，在小肠系统里面的混合是多么的复杂。实际上不是简单的想象它是一个锅、一个桶，实际上这个过程是非常复杂的。
在胃里边这个过程是不是也很复杂？非常复杂！
想象一下大块的食品进去，你享受的很大一部分程度，在这里是一个解决的方式。如果很大块的食品没有在这进行破碎的话，那么它不会被非常有效地进行消化，然后传递到你的更下一边，比如小肠系统。
所以这个过程也可以模拟的，进行一些非常仔细的研究。
总之，我们这些系统，胃也好，小肠也好，大肠也好，它一定不是简单的一个搅拌器能解决的。
那么下一步就是说，我们如何能够在体外有效地研究动物和人的消化吸收过程？
对于我个人来说，对我们很多人来说，动物们实在是太可爱了，如果能不用它们去做这些实验是最好的。所以，关键是我们能不能建立一个非常有效的仿生系统。
建立有效的仿生系统要求非常多。
首先，应该越像越好。其次，理解上下游的关系，上游发生了什么，下游发生了什么，这是化工的强项。
还有一个就是，上面吃进去的东西一定要从下面出来。你觉得这个设备上要求高吗？实际上非常高！
还要同时实现生化反应，还要建立消化-吸收联动，建立消化-发酵联动，而且能够随时随地可以测量、控制、取样——其实这个是仿生系统的优点，因为在我们人体的实验、动物实验里，这一步非常难实现。
已经有的体外消化系统，你可以看出，我这是非常简单的举例，都是坛坛罐罐，跟真的系统差距非常大。
那么我们的系统是在几乎 17 年、18 年以前就开始进行研究的。叫什么呢？就叫结构、形态、运动、生化仿生集成一体。
这个是荷兰最近的产品。你可以看出，在某种意义上，它的胃好像比较像胃了。
这是智利的一个产品，你看他也是在研究胃，他把它建的更加仿生。
但是我们的系统，这个是鼠的系统，已经进入了全方位的仿生 ，还有自动化。它包括两部分，一个部分是柔性器官的建立，柔性器官这个模子等等都是从真实动物身上直接做出来的。
这张图上可以看到，我们制作的从婴幼儿到成年人的胃的系统。你可以看出，无论它的沟回也好，它的胃液的输送也好，都已经在里边体现出来了。
我们已经做到了将仿生体外消化吸收过程，这个人的系统，做到真正市场化。做市场开发的、做产品开发的、做产品检测的、做科学研究的等等，都可以利用这个设备进行开发。
现在请大家看一个录像。这是我们的这个系统，人胃和十二指肠系统在运作，你可以看出，它在运动仿生上面，已经实现了非常有效的方法。
这些是我们的一些产品，你可以看出，它是消化之后的产品，或者消化吸收之后的产品。我们的用户跟我们讲，这是非常像的。
我们最近发展了所谓大肠的反应器。在我们的大肠里边，它既不是固体发酵，也不是液体发酵，实际上是介于二者之间的，所以难度还是比较大的。那么在这个系统里边，作为人体消化系统重要的一部分，我们也是需要分析蠕动的影响和对蠕动的研究。
看了我们的系统，或者看了世界各地的系统，你会发现这些系统都很复杂。为什么要这么折腾，这么复杂呢？那是因为在实际的消化吸收系统里面，所经历的工程的参数，和实验室搅拌器里经历的工程参数，是有非常大的区别。
比如在仿生体外系统里面，做咀嚼也好，做消化也好，它里边的剪切力的数量级是 5000 以上，而实验室的搅拌器只能大概达到几十的 Pascal（压强单位）。所以你可以看出，基本像一个大象和一个老鼠之间的比较。
还有一个就是样品的代表性和准确性，如果不是很现实、很仿生的系统，那么你取得这些样品去进行检测，那么你检测什么呢？
我再讲一下，不同的动物里边的系统是非常不同的。某种意义上，我们的仿生系统制造出来也应该反映这些不同。
牛一定是跟狗狗是完全不同的，跟猪也是完全不同的，老鼠跟这个系统非常不同。鱼的系统跟这一样吗？也非常非常的不同。鸡有个嗉子，那里边它的咀嚼系统跟我们是完全不同的。
所以不同的动物，一定要用不同的体外模拟系统，进行仔细的研究。
我们目前在做什么？目前我们在积极地这些事情，比如建立消化吸收与发酵的联动，还有随时随地的检测系统，控制、取样，包括把生物芯片植入到这个系统里面进行采样。
还有，作为吃来讲，非常重要的就是在口腔里面的过程。所以我们现在也在开发仿生的口腔，它能咀嚼、能分泌、能形成食团，最重要的是它能吞，能够反映我们的 LQ 的现象。
再次说明我来自苏大的化工，欢迎大家来苏州跟我们合作。
谢谢。