Hydrożelowe „oddychające płuco” naśladuje mechanikę ludzkich pęcherzyków płucnych

Zespół badaczy kierowany przez prof. Sungjune Junga z Pohang University of Science and Technology (POSTECH) opracował ultracienki hydrożelowy model „oddychającego płuca”, który odtwarza cykliczne rozciąganie i kurczenie się pęcherzyków płucnych. Model zachował stabilność podczas około 240 000 cykli oddechowych, a dzięki połączeniu mechanicznego ruchu z trójwarstwową strukturą komórkową umożliwił również badanie odpowiedzi tkanki płucnej na zakażenie wirusem grypy.

Laboratoryjne płuco, które naprawdę „oddycha”

Niemal każdy choć raz próbował wydmuchać przez rurkę bańkę mydlaną. To właśnie niezwykle cienka błona takiej bańki stała się inspiracją dla badaczy, którzy opracowali sztuczne „oddychające płuco” zachowujące się pod względem mechanicznym podobnie do prawdziwej tkanki płucnej.

Zespół badawczy kierowany przez prof. Sungjune Junga z Department of Materials Science and Engineering w Pohang University of Science and Technology (POSTECH) opracował ultracienki model sztucznego płuca, który odtwarza ruch pęcherzyków płucnych, czyli niewielkich struktur wypełnionych powietrzem, w których zachodzi wymiana gazowa. Jednocześnie konstrukcja pozwala obserwować reakcje komórek płucnych podczas powtarzalnego ruchu przypominającego oddychanie.

Model działał stabilnie przez około 240 000 cykli oddechowych. Badacze wykorzystali go również do odtworzenia reakcji tkanki płucnej na zakażenie wirusem grypy. Wyniki badania opublikowano 30 lipca 2026 roku w czasopiśmie Advanced Materials.

Dlaczego ruch pęcherzyków płucnych ma znaczenie

Ludzkie płuca wykonują dziesiątki tysięcy ruchów w ciągu doby. Podczas wdechu zwiększają swoją objętość, natomiast podczas wydechu ponownie się zmniejszają. Takim samym cyklicznym zmianom mechanicznym podlegają pęcherzyki płucne.

Ruch pęcherzyków nie ogranicza się jednak wyłącznie do umożliwienia przepływu powietrza i wymiany gazowej. Mechaniczne rozciąganie i kurczenie się struktur płucnych oddziałuje także na wzrost oraz funkcjonowanie komórek. Stanowi również istotny sygnał biologiczny wpływający na procesy związane z rozwojem zapalenia i chorób płuc.

Z tego powodu, jeżeli modele laboratoryjne mają być wykorzystywane do wyjaśniania mechanizmów chorób układu oddechowego oraz oceny działania potencjalnych terapii, powinny możliwie wiernie odtwarzać nie tylko budowę tkanki płucnej, ale również jej dynamiczny ruch.

Dotychczasowe techniki hodowli komórek płucnych miały pod tym względem istotne ograniczenia. Komórki hoduje się zazwyczaj na płaskich i nieruchomych powierzchniach, które nie odtwarzają rzeczywistych warunków panujących w pracującym płucu.

W ostatnich latach opracowano również rozwiązania typu „lung-on-a-chip”, w których próbuje się odwzorować budowę i mechanikę płuca w niewielkich układach mikroprzepływowych. Jak podkreślają autorzy materiału, wiele takich konstrukcji wykorzystuje jednak syntetyczny materiał PDMS, co ogranicza możliwość pełnego odwzorowania właściwości prawdziwej tkanki płucnej.

Z kolei miękkie hydrożele, które pod względem właściwości mechanicznych mogą lepiej przypominać żywą tkankę, sprawiają inne problemy technologiczne. Wytwarzanie z nich bardzo cienkich membran jest trudne, ponieważ delikatny materiał może łatwo ulegać rozerwaniu.

Hydrożel inspirowany błoną bańki mydlanej

Rozwiązania tego problemu naukowcy poszukali w budowie bańki mydlanej. Jej błona jest niezwykle cienką warstwą tworzoną spontanicznie przez ciecz, a mimo niewielkiej grubości może zachowywać ciągłość i swobodnie się przemieszczać oraz odkształcać.

Zespół zastosował tę zasadę podczas wytwarzania kompozytowego hydrożelu powstającego z połączenia polimerów i monomerów. Formę o odpowiednim kształcie zanurzano w roztworze hydrożelowym, a następnie z niego wyciągano. Wewnątrz formy powstawała wówczas niezwykle cienka membrana – na podobnej zasadzie jak cienka błona tworząca powierzchnię bańki mydlanej.

Uzyskana w ten sposób ultracienka membrana była miękka i rozciągliwa, podobnie jak struktury występujące w pęcherzykach prawidłowego płuca. Jednocześnie wykazywała wytrzymałość wystarczającą do przetrwania setek tysięcy powtarzających się odkształceń.

Jak odtworzono mechanizm oddychania

Naukowcy odtworzyli również zasadę działania mechanizmu odpowiedzialnego za wentylację ludzkiego płuca.

Podczas prawidłowego wdechu przepona przemieszcza się ku dołowi, w klatce piersiowej powstają zmiany ciśnienia, a powietrze napływa do dróg oddechowych i pęcherzyków płucnych. Zespół opracował system określany jako „breathing actuation system”, który cyklicznie generował analogiczne zmiany ciśnienia pod ultracienką membraną hydrożelową.

W rezultacie membrana była okresowo rozciągana, a następnie powracała do wcześniejszego położenia, odtwarzając cykliczny ruch charakterystyczny dla oddychającego płuca.

Tak skonstruowany układ zachował stabilność podczas około 240 000 cykli. Oznacza to, że niezwykle cienka membrana hydrożelowa mogła być wielokrotnie poddawana mechanicznym odkształceniom bez szybkiej utraty integralności.

Trójwarstwowy model pęcherzyka i zakażenie wirusem grypy

Samo odtworzenie ruchu nie było jednak wystarczające. Badacze dążyli również do tego, aby wewnętrzna budowa modelu przypominała organizację prawdziwego płuca.

Wykorzystując technologię bioprintingu 3D, zespół utworzył trójwarstwową strukturę złożoną kolejno z warstwy komórek naczyniowych, warstwy odpowiadającej błonie podstawnej oraz warstwy komórek nabłonkowych.

Dzięki takiej konstrukcji ruch przypominający oddychanie był przekazywany bezpośrednio komórkom znajdującym się w modelu. Pozwalało to analizować ich zachowanie w środowisku, w którym na komórki działały powtarzające się siły mechaniczne podobne do tych występujących w pęcherzykach płucnych.

Badacze wykorzystali model również w eksperymentach z zakażeniem wirusem grypy. Odpowiedź na infekcję wirusową wykazywała w sztucznym płucu cechy podobne do reakcji obserwowanych w prawdziwym płucu.

Co szczególnie istotne, doświadczenia wykazały, że zarówno odpowiedź zapalna, jak i odpowiedź przeciwwirusowa komórek różniły się w zależności od obecności ruchu oddechowego. Wyniki te wskazują, że mechaniczne warunki panujące podczas oddychania mogą być ważnym elementem wpływającym na zachowanie komórek w czasie infekcji.

Znaczenie dla badań nad chorobami płuc i lekami

Zdaniem autorów badanie otwiera możliwość analizowania odpowiedzi na leki w dynamicznym środowisku znacznie bardziej przypominającym ludzkie płuco niż klasyczna, nieruchoma hodowla komórkowa.

Tego rodzaju rozwiązanie może być szczególnie użyteczne w sytuacjach, w których wpływu sił mechanicznych działających podczas oddychania nie można odpowiednio ocenić za pomocą prostych modeli komórkowych. Autorzy wskazują również na możliwość zastosowania systemu jako uzupełnienia badań prowadzonych na zwierzętach.

Istotną cechą opracowanego systemu jest możliwość kontrolowania parametrów ruchu przypominającego oddychanie. Według prof. Sungjune Junga zarówno częstość, jak i głębokość „oddechów” można zmieniać, dzięki czemu model może być dostosowywany do różnych warunków fizjologicznych i stanów chorobowych.

Profesor Sungjune Jung ocenił również, że technologia może zmienić sposób prowadzenia prac nad nowymi lekami oraz badań nad chorobami płuc.

Finansowanie badania

Badania przeprowadzono przy wsparciu Mid-Career Researcher Program of the National Research Foundation of Korea oraz Bio Industrial Technology Development Program of the Ministry of Trade, Industry and Energy.