顧云璐 林陳心子 許 龍 王秋果 郭詩(shī)櫻 王珉珉 李尚軒 劉柯遙

（1、徐州醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇 徐州221004 2、蘇州大學(xué)蘇州醫(yī)學(xué)院，江蘇 蘇州215031 3、徐州醫(yī)科大學(xué)麻醉學(xué)院，江蘇 徐州221004）

1 概述

在現(xiàn)代生命科學(xué)領(lǐng)域包括疾病[1]、衰老等的研究中，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[2]已經(jīng)成為一個(gè)不可或缺的重要部分，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物包括小鼠、大鼠、比格犬、實(shí)驗(yàn)猴等能夠很好的模擬人的生理現(xiàn)象，在人類的健康事業(yè)中起到不可替代的作用，其中實(shí)驗(yàn)小鼠[3]的使用最為廣泛。目前使用的傳統(tǒng)鼠籠功能有限[4]，市場(chǎng)上還沒(méi)有集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋調(diào)控等功能于一體的鼠籠。實(shí)驗(yàn)人員無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控小鼠生存狀態(tài)、氨氣濃度[5]、溫度和濕度等[6]重要環(huán)境指標(biāo)，同時(shí)進(jìn)入常規(guī)飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)小鼠的SPF 鼠房[7]還需要經(jīng)過(guò)更衣、淋浴等步驟，過(guò)程繁瑣；小鼠聚集生活的習(xí)性使小鼠易發(fā)生攻擊、擠壓等事故[8-9]；實(shí)驗(yàn)人員更換墊料較為繁瑣，對(duì)小鼠也有生理性刺激[10]。因此鼠籠的合理設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)小鼠創(chuàng)造適宜生存環(huán)境，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確具有重要意義。該新型便捷可控鼠籠的設(shè)計(jì)是針對(duì)以上幾點(diǎn)傳統(tǒng)鼠籠的弊端進(jìn)行的改造，便于實(shí)驗(yàn)人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握小鼠生存狀態(tài)和環(huán)境指標(biāo)，及時(shí)調(diào)控鼠籠內(nèi)部狀態(tài)，為小鼠提供更好的生存環(huán)境，提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)的高效性與準(zhǔn)確性。

2 儀器和方法

2.1 儀器

氨氣- 溫度- 濕度三合一傳感器（濟(jì)南九研電子，GY-AQWSD-A0）、攝像頭（CONRING KL-mini-02）、單片機(jī)（STC89C51）、獨(dú)立送風(fēng)系統(tǒng)（蘇州馮氏，ZJ-1）、可控制熱風(fēng)扇、透明隔板、飼料槽、四口水壺、抽屜式墊料盒、輪軸、鐵絲底座。

2.2 方法

每次實(shí)驗(yàn)分別在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠和傳統(tǒng)鼠籠中各放4 只立體定位術(shù)后小鼠，其中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠中每個(gè)隔間放1 只術(shù)后小鼠，傳統(tǒng)鼠籠中的4 只術(shù)后小鼠作為對(duì)照組。在對(duì)照組中，實(shí)驗(yàn)人員按照常規(guī)的飼養(yǎng)方法對(duì)術(shù)后小鼠進(jìn)行飼養(yǎng)；在改造后的鼠籠中，實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)鼠籠內(nèi)的氨氣濃度、溫度和濕度，觀察每個(gè)隔間內(nèi)小鼠的生存狀況，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到氨氣濃度達(dá)到14mg/m3時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員即可通過(guò)鼠籠底部的抽屜式墊料盒及時(shí)對(duì)墊料進(jìn)行更換；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制風(fēng)扇加熱，為術(shù)后小鼠的恢復(fù)提供更適宜的環(huán)境。待實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠中的4 只術(shù)后小鼠恢復(fù)運(yùn)動(dòng)后，通過(guò)輪軸打開(kāi)中間透明隔板，使原本4 個(gè)獨(dú)立空間串通成一個(gè)整體空間；最后分析比較實(shí)驗(yàn)組小鼠與對(duì)照組小鼠的術(shù)后恢復(fù)狀態(tài)。

3 鼠籠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鼠籠籠蓋改造

鼠籠的最上層籠蓋包含的進(jìn)氣口和出氣口（圖1，直徑40mm）與重新設(shè)計(jì)的獨(dú)立送風(fēng)系統(tǒng)相匹配。在第二層金屬籠蓋的中間部位處呈現(xiàn)一個(gè)“凹”字型，在此放置一個(gè)特制的四口長(zhǎng)方體水壺（內(nèi)直徑0.5mm），其四個(gè)出水口分別對(duì)應(yīng)隔板所隔開(kāi)的四個(gè)活動(dòng)空間（圖2，90x60x60mm）。在水壺的四周放置小鼠所需要的食物。

圖1 鼠籠籠蓋結(jié)構(gòu)圖

圖2 四口水壺結(jié)構(gòu)圖

3.2 鼠籠內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造

鼠籠內(nèi)左側(cè)上部放置一個(gè)攝像頭，用于觀察小鼠生存情況；根據(jù)氣體擴(kuò)散模型在出氣孔的下方放置氨氣-溫度- 濕度三合一傳感器（圖1），用于收集環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)并通過(guò)單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳遞給電腦端；鼠籠內(nèi)的隔板采用合金材質(zhì)[11]，將其分為一個(gè)封閉空間和四個(gè)活動(dòng)空間，其中氨氣- 溫度- 濕度三合一傳感器和攝像頭安裝在封閉空間內(nèi)，防止實(shí)驗(yàn)儀器被實(shí)驗(yàn)小鼠咬壞；轉(zhuǎn)動(dòng)中間的輪軸可調(diào)控隔板（圖3，50x60mm），使四個(gè)活動(dòng)空間發(fā)生變化，從四個(gè)隔開(kāi)的活動(dòng)空間轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)連通的空間，便于小鼠活動(dòng)。

圖3 可轉(zhuǎn)動(dòng)隔板與輪軸結(jié)構(gòu)圖

3.3 鼠籠底部結(jié)構(gòu)改造

去除傳統(tǒng)鼠籠的底部，在原有底部處加一個(gè)鐵絲隔網(wǎng)和一個(gè)抽屜式墊料盒。墊料盒里面放置一個(gè)IVC 平板（420x240mm），一端用一個(gè)轉(zhuǎn)軸固定在墊料盒上（420x240x30mm），另一端安裝一個(gè)卡扣，可以與鼠籠外壁相扣用于固定。鐵絲隔網(wǎng)可避免小鼠掉落，墊料盒與IVC 平板共同用于更換墊料（圖1）。

4 獨(dú)立送風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)

獨(dú)立送風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)采用的是步進(jìn)電機(jī)控制的可加熱型風(fēng)扇，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)[12]或術(shù)后小鼠剛放入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)控制風(fēng)扇加熱，適當(dāng)升高溫度[13]。鼠籠內(nèi)的傳感器利用無(wú)線通信將信息傳遞給單片機(jī)[14]，再傳遞給電腦端，單片機(jī)和電腦端同時(shí)反饋信息給步進(jìn)電機(jī)調(diào)控溫度與風(fēng)速，達(dá)到雙重控制的效果。電腦端還會(huì)將信息傳遞給手機(jī)，使實(shí)驗(yàn)人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控（圖4）。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

5.1 鼠籠內(nèi)部氨氣、溫度、濕度監(jiān)測(cè)的結(jié)果

安裝并使用氨氣- 溫度- 濕度三合一傳感器[15]和改進(jìn)的獨(dú)立送風(fēng)系統(tǒng)。結(jié)果表明實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠可以調(diào)控溫度升高，有效解決低溫對(duì)小鼠術(shù)后恢復(fù)的影響。通過(guò)手機(jī)接收的信息監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠內(nèi)的環(huán)境指標(biāo)。當(dāng)氨氣濃度達(dá)到14mg/m3時(shí)，可以提醒實(shí)驗(yàn)人員及時(shí)去更換墊料，避免氨氣濃度過(guò)高對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠健康生存的影響。

5.2 實(shí)時(shí)觀察鼠籠內(nèi)小鼠的生存狀態(tài)

分別在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠和傳統(tǒng)鼠籠中放4只術(shù)后小鼠，新設(shè)計(jì)的鼠籠中每個(gè)隔間1 只術(shù)后鼠。結(jié)果表明，使用攝像頭及其相應(yīng)的Blue cam APP 后，通過(guò)手機(jī)可以隨時(shí)隨地觀察新型智能鼠籠內(nèi)的小鼠生存情況（圖5）。該結(jié)果說(shuō)明攝像頭可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模惭b簡(jiǎn)便且位于封閉空間內(nèi)，不會(huì)被實(shí)驗(yàn)小鼠咬壞，可以安全使用。

5.3 鼠籠內(nèi)部空間的轉(zhuǎn)換

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠內(nèi)的隔板可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸來(lái)達(dá)到切換空間結(jié)構(gòu)的目的。術(shù)后小鼠在術(shù)后恢復(fù)期，轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸形成四個(gè)隔開(kāi)的活動(dòng)空間，避免術(shù)后小鼠出現(xiàn)踩踏擠壓等行為造成實(shí)驗(yàn)損失；待術(shù)后小鼠恢復(fù)后轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸來(lái)形成一個(gè)連通的空間，避免小鼠出現(xiàn)社交方面的問(wèn)題[16]。

5.4 鼠籠更換的墊料的方式

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠的底部使用的抽屜式墊料盒，可以達(dá)到方便科研人員更換墊料的目的，同時(shí)也減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠的刺激。

6 討論

a.通過(guò)傳感器和攝像頭，實(shí)驗(yàn)人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控鼠籠內(nèi)部情況，并在獨(dú)立送風(fēng)系統(tǒng)的反饋下，調(diào)控籠內(nèi)氨氣濃度、溫度和濕度；b.利用隔板創(chuàng)造安全空間，為術(shù)后小鼠的恢復(fù)提供適宜的環(huán)境，并運(yùn)用旋轉(zhuǎn)原理，待術(shù)后小鼠恢復(fù)后，實(shí)驗(yàn)人員可旋轉(zhuǎn)部分隔板擴(kuò)大空間以避免小鼠出現(xiàn)社交問(wèn)題；c.對(duì)鼠籠底部進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一個(gè)墊料盒更換墊料，可以有效減少對(duì)小鼠的生理刺激。實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)手機(jī)連接攝像頭可遠(yuǎn)程觀察鼠籠內(nèi)小鼠的生存狀態(tài)和氨氣濃度、溫度和濕度等指標(biāo)；鼠籠內(nèi)術(shù)后鼠沒(méi)有出現(xiàn)踩踏打架和死亡的情況；實(shí)驗(yàn)人員更換墊料更便捷且對(duì)小鼠影響較小。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠可有效提高小鼠的存活率，證實(shí)了該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的便捷可控鼠籠的使用可提高實(shí)驗(yàn)的高效性和準(zhǔn)確性，打破了傳統(tǒng)鼠籠的局限，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。