肌肉可能会因为缺乏运动而变得虚弱和浪费，例如当肢体被固定在石膏上时，或者随着人们年龄的增长而逐渐消失。这种情况被称为肌肉萎缩，也可能因ALS和MS等神经系统疾病而发生，或作为对包括癌症和糖尿病在内的某些疾病的反应。
机械疗法，一种使用手工或机械技术的疗法，被认为有可能帮助组织修复。按摩，使用压迫性刺激来放松肌肉，是最知名的机械疗法，然而，目前还不清楚通过外部手段拉伸和收缩肌肉是否也能作为一种有效的治疗方法。研究这种可能性一直有两个主要障碍：缺乏能够沿着肌肉的整个长度均匀地施加拉伸和收缩力的机械系统，以及这些机械刺激对肌肉组织的表面和深层的传递效率不高。
这张图片显示了用"形状记忆合金"弹簧和弹性体制造的MAGENTA原型的例子，以及它们的尺寸与一美分硬币的比较。资料来源：哈佛大学怀斯研究所
现在，哈佛大学怀斯生物启发工程研究所和哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的生物工程师们已经开发出一种名为MAGENTA的机械活性粘合剂，它作为一种软体机器人装置，解决了这一双重问题。在一个动物模型中，MAGENTA成功地防止和支持了肌肉萎缩的恢复。该团队的研究结果发表在《自然材料》上。
"通过MAGENTA，我们开发了一个新的集成的多组件系统，用于肌肉的机械刺激，可以直接放在肌肉组织上，以触发关键的分子途径来促进生长，"高级作者和怀斯创始核心教员DavidMooney博士说，"虽然该研究提供了第一个概念证明，即外部提供的拉伸和收缩运动可以防止动物模型的萎缩，但我们认为该设备的核心设计可以广泛地适用于各种疾病环境，其中萎缩是一个主要问题。"穆尼领导着怀斯研究所的免疫材料平台，同时也是SEAS的罗伯特-P-平卡斯家族生物工程教授。
一种能使肌肉运动的粘合剂
MAGENTA的主要部件之一是一个由镍钛合金制成的工程弹簧，这是一种被称为"形状记忆合金"（SMA）的金属，当加热到一定温度时能使MAGENTA快速启动。研究人员通过将弹簧与一个微处理器单元进行电气连接来驱动它，该单元允许对拉伸和收缩周期的频率和时间进行编程。MAGENTA的其他组成部分是一种弹性基质，它构成了设备的主体并使加热的SMA绝缘，还有一种"坚韧的粘合剂"，使设备能够牢固地粘在肌肉组织上。
通过这种方式，该设备与肌肉运动的自然轴对齐，将SMA产生的机械力传递到肌肉深处。穆尼的研究小组正在推进MAGENTA，它代表着"机械活性凝胶-弹性体-硝化甘油组织粘合剂"，它是几种具有针对多种组织的各种再生应用功能的强韧凝胶粘合剂之一。
在设计和组装了MAGENTA装置后，该团队测试了它的肌肉变形潜力，首先是在离体的肌肉中，然后是将其植入小鼠的一块主要小腿肌肉。该装置没有诱发任何严重的组织炎症和损伤迹象，并在肌肉上表现出约15%的机械应变，这与运动时的自然变形相吻合。
接下来，为了评估其疗效，研究人员使用了一个肌肉萎缩的体内模型，在将MAGENTA装置植入小鼠的后肢后，将其固定在一个微小的石膏状围栏中长达两周。"第一作者、Wyss技术开发研究员SungminNam博士说："虽然未经处理的肌肉和用该设备处理但未受刺激的肌肉在这一时期明显消瘦，但主动受刺激的肌肉显示出肌肉消瘦的减少，我们的方法还可以促进在三周固定期间已经损失的肌肉质量的恢复，并诱导激活已知能引起蛋白质合成和肌肉生长的主要生物化学机械传导途径。"
机械疗法的方方面面
在之前的一项研究中，穆尼的研究小组与怀斯大学副教授康纳-沃尔什的研究小组合作发现，使用不同的软体机器人设备对急性损伤的肌肉进行规范的周期性压缩（而不是拉伸和收缩）可以减少炎症，使急性损伤的肌肉纤维得到修复。在他们的新研究中，穆尼的团队询问这些压缩力是否也能保护肌肉萎缩。然而，当他们直接比较通过以前的设备进行的肌肉压缩和通过MAGENTA设备进行的肌肉拉伸和收缩时，只有后者对小鼠萎缩模型有明显的治疗效果。不同的软体机器人方法及其对肌肉组织的独特影响可以开辟疾病或损伤的机械治疗途径。
为了进一步扩大MAGENTA的可能性，研究小组探讨了SMA弹簧是否也可以由激光驱动，这种方式以前没有出现过，并将使该方法基本上转化为无线的，扩大了其治疗用途。事实上，他们证明了一个没有任何电线的植入式MAGENTA装置可以作为一个光反应致动器发挥作用，并在用激光穿过覆盖的皮肤层照射时使肌肉组织变形。虽然激光致动没有达到与电致动相同的频率，特别是脂肪组织似乎吸收了一些激光，但研究人员认为，所展示的光敏感性和该设备的性能可以进一步提高。
Nam说："MAGENTA的一般能力，以及它的组件可以很容易地从几毫米扩展到几厘米的事实，可以使它作为未来机械疗法的核心部分，不仅可以治疗萎缩，也许还可以加速皮肤、心脏和其他可能受益于这种机械传导形式的地方的再生，"。
"越来越多的人认识到，机械疗法可以解决再生医学中未得到满足的关键需求，而基于药物的疗法根本无法做到，这刺激了一个新的研究领域，将机器人创新与人类生理学联系起来，直至传递不同机械刺激的分子通路水平，"Wyss创始董事DonaldIngber医学博士说，"DaveMooney和他的小组的这项研究是一个非常优雅和前瞻性的例子，说明这种类型的机械疗法未来可以用于临床。"Ingber也是哈佛医医院的JudahFolkman血管生物学教授，以及SEAS的Hansj?rgWyss生物启发工程教授。
