肌肉可能會因為缺乏運動而變得虛弱和浪費，例如當肢體被固定在石膏上時，或者隨著人們年齡的增長而逐漸消失。這種情況被稱為肌肉萎縮，也可能因ALS和MS等神經系統疾病而發生，或作為對包括癌癥和糖尿病在內的某些疾病的反應。

機械療法，一種使用手工或機械技術的療法，被認為有可能幫助組織修復。按摩，使用壓迫性刺激來放松肌肉，是最知名的機械療法，然而，目前還不清楚通過外部手段拉伸和收縮肌肉是否也能作為一種有效的治療方法。研究這種可能性一直有兩個主要障礙：缺乏能夠沿著肌肉的整個長度均勻地施加拉伸和收縮力的機械系統，以及這些機械刺激對肌肉組織的表面和深層的傳遞效率不高。

這張圖片顯示了用"形狀記憶合金"彈簧和彈性體制造的MAGENTA原型的例子，以及它們的尺寸與一美分硬幣的比較。資料來源：哈佛大學懷斯研究所

現在，哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所和哈佛大學約翰-A-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的生物工程師們已經開發出一種名為MAGENTA的機械活性粘合劑，它作為一種軟體機器人裝置，解決了這一雙重問題。在一個動物模型中，MAGENTA成功地防止和支持了肌肉萎縮的恢復。該團隊的研究結果發表在《自然材料》上。

"通過MAGENTA，我們開發了一個新的集成的多組件系統，用于肌肉的機械刺激，可以直接放在肌肉組織上，以觸發關鍵的分子途徑來促進生長，"高級作者和懷斯創始核心教員David Mooney博士說，"雖然該研究提供了第一個概念證明，即外部提供的拉伸和收縮運動可以防止動物模型的萎縮，但我們認為該設備的核心設計可以廣泛地適用于各種疾病環境，其中萎縮是一個主要問題。"穆尼領導著懷斯研究所的免疫材料平臺，同時也是SEAS的羅伯特-P-平卡斯家族生物工程教授。

一種能使肌肉運動的粘合劑

MAGENTA的主要部件之一是一個由鎳鈦合金制成的工程彈簧，這是一種被稱為"形狀記憶合金"（SMA）的金屬，當加熱到一定溫度時能使MAGENTA快速啟動。研究人員通過將彈簧與一個微處理器單元進行電氣連接來驅動它，該單元允許對拉伸和收縮周期的頻率和時間進行編程。MAGENTA的其他組成部分是一種彈性基質，它構成了設備的主體并使加熱的SMA絕緣，還有一種"堅韌的粘合劑"，使設備能夠牢固地粘在肌肉組織上。

通過這種方式，該設備與肌肉運動的自然軸對齊，將SMA產生的機械力傳遞到肌肉深處。穆尼的研究小組正在推進MAGENTA，它代表著"機械活性凝膠-彈性體-硝化甘油組織粘合劑"，它是幾種具有針對多種組織的各種再生應用功能的強韌凝膠粘合劑之一。

在設計和組裝了MAGENTA裝置后，該團隊測試了它的肌肉變形潛力，首先是在離體的肌肉中，然后是將其植入小鼠的一塊主要小腿肌肉。該裝置沒有誘發任何嚴重的組織炎癥和損傷跡象，并在肌肉上表現出約15%的機械應變，這與運動時的自然變形相吻合。

接下來，為了評估其療效，研究人員使用了一個肌肉萎縮的體內模型，在將MAGENTA裝置植入小鼠的后肢后，將其固定在一個微小的石膏狀圍欄中長達兩周。"第一作者、Wyss技術開發研究員Sungmin Nam博士說："雖然未經處理的肌肉和用該設備處理但未受刺激的肌肉在這一時期明顯消瘦，但主動受刺激的肌肉顯示出肌肉消瘦的減少，我們的方法還可以促進在三周固定期間已經損失的肌肉質量的恢復，并誘導激活已知能引起蛋白質合成和肌肉生長的主要生物化學機械傳導途徑。"

機械療法的方方面面

在之前的一項研究中，穆尼的研究小組與懷斯大學副教授康納-沃爾什的研究小組合作發現，使用不同的軟體機器人設備對急性損傷的肌肉進行規范的周期性壓縮（而不是拉伸和收縮）可以減少炎癥，使急性損傷的肌肉纖維得到修復。在他們的新研究中，穆尼的團隊詢問這些壓縮力是否也能保護肌肉萎縮。然而，當他們直接比較通過以前的設備進行的肌肉壓縮和通過MAGENTA設備進行的肌肉拉伸和收縮時，只有后者對小鼠萎縮模型有明顯的治療效果。不同的軟體機器人方法及其對肌肉組織的獨特影響可以開辟疾病或損傷的機械治療途徑。

為了進一步擴大MAGENTA的可能性，研究小組探討了SMA彈簧是否也可以由激光驅動，這種方式以前沒有出現過，并將使該方法基本上轉化為無線的，擴大了其治療用途。事實上，他們證明了一個沒有任何電線的植入式MAGENTA裝置可以作為一個光反應致動器發揮作用，并在用激光穿過覆蓋的皮膚層照射時使肌肉組織變形。雖然激光致動沒有達到與電致動相同的頻率，特別是脂肪組織似乎吸收了一些激光，但研究人員認為，所展示的光敏感性和該設備的性能可以進一步提高。

Nam說："MAGENTA的一般能力，以及它的組件可以很容易地從幾毫米擴展到幾厘米的事實，可以使它作為未來機械療法的核心部分，不僅可以治療萎縮，也許還可以加速皮膚、心臟和其他可能受益于這種機械傳導形式的地方的再生，"。

"越來越多的人認識到，機械療法可以解決再生醫學中未得到滿足的關鍵需求，而基于藥物的療法根本無法做到，這刺激了一個新的研究領域，將機器人創新與人類生理學聯系起來，直至傳遞不同機械刺激的分子通路水平，"Wyss創始董事Donald Ingber醫學博士說，"Dave Mooney和他的小組的這項研究是一個非常優雅和前瞻性的例子，說明這種類型的機械療法未來可以用于臨床。"Ingber也是哈佛醫學院和波士頓兒童醫院的Judah Folkman血管生物學教授，以及SEAS的Hansjörg Wyss生物啟發工程教授。