Voiko lisävalmistus parantaa terveydenhuollon diagnostiikkateknologiaa?

Lisävalmistus, jonka monipuoliset sovellukset kattavat useita teollisuudenaloja, vaihtelee lentomoottorien poltinosien valmistamisesta kaasukäyttöisten turbiinien polttopäiden korjaamiseen. Se on tunnettu kestävyydestään, keveästä rakenteestaan, geometrisen optimoinnin mahdollisuuksista ja lyhentyneestä korjausajasta sekä muista kilpailueduista.

Terveydenhuollossa se on vakiinnuttanut merkittävän läsnäolon. Erityisesti lisävalmistuksen, tai 3D-tulostuksen, historia on ollut kietoutunut lääketieteellisiin tieteisiin jo vuosikymmeniä.

But before we delve deeper into the potential of additive manufacturing in healthcare diagnostic technology, let’s first have a brief overview of additive manufacturing. We’ll explore its definition and understand its critical role in the evolution of medical sciences.

Lisävalmistus ja sen historia lääketieteellisissä tieteissä

The ASTM Society, earlier known as the American Society for Testing and Materials, defines additive manufacturing as “a process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies”

Lääketieteelliset tieteet ovat hyödyntäneet 3D-tulostusta 1990-luvun lopulta ja 2000-luvun alulta lähtien. Se on auttanut valmistamaan hammasimplantteja ja räätälöityjä proteeseja. Nämä olivat tuotteita, jotka vaativat potilaskohtaisen räätälöinnin eikä niitä voitu tuottaa suurina erinä. 3D-tulostus täytti nämä vaatimukset.

3D-tulostus on myös auttanut ortopedian alaa antamalla ortopedisille kirurgeille mahdollisuuden luoda rakenteita, jotka tarkasti vastaavat ja jäljittelevät potilaan fysiologisia ominaisuuksia. Aikaisemmin tällaisilla potilailla ei ollut muita vaihtoehtoja kuin tyytyä “yksi koko sopii kaikille” -implantteihin. Implanttien ja proteesien jälkeen 3D-tulostuksen seuraava askel suuntasi kohti orgaanisia mimettisiä laitteita.

2000-luvun alussa Boston Children’s Hospitalin tutkijatiimi hyödynsi “verkostoa”, rakennusmenetelmää, joka mahdollisti korvaavien virtsarakkojen käsinrakentamisen kollageenista ja synteettisestä polymerista. Tämä menetelmä oli kuitenkin aikaa vievä eikä helposti toistettavissa. Se oli myös kallis lähestymistapa elinten rakentamiseen. Lopulta lisävalmistus astui kuvaan auttamaan tämän ongelman ratkaisemisessa.

Wake Forest Institute for Regenerative Medicinein tutkijat kehittivät lopulta koneita, jotka pystyvät johdonmukaisesti tulostamaan elimiä ja kudoksia kliinisiä kokeita varten. Tämän edistysaskeleen jälkeen brasilialainen tutkijaryhmä jatkoi kehitystä menestyksekkäästi biotulostamalla organoideja. Nämä organoidit pystyivät suorittamaan kaikki ihmisen maksan toiminnot, kuten proteiinien rakentamisen, vitamiinien varastoinnin ja sapen erittämisen. Kuitenkin nämä pienikokoiset maksat eivät vielä olleet käyttökelpoisia siirrettävinä korvaavina todellisten ihmismaksien tilalle.

Tässä vaiheessa, vaikka lisävalmistus tai 3D-tulostus jatkoi arvonsa löytämistä sovelletun lääketieteen alalla, sen sovellukset pysyivät pääosin rajoittuneina kliinisiin kokeisiin ja laboratoriopohjaisiin testeihin.

Luonnollisesti tutkijoiden ja lääkäreiden mieleen nousi lisävalmistuksen hyödyntäminen terveydenhuollon diagnostiikkateknologian parantamisessa, joka hallitsee merkittävää markkinaosuutta maailmanlaajuisesti.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista 3D-bioprinttausosakkeista.

Terveydenhuollon diagnostiikkateknologian globaali markkina

The healthcare diagnostic technology market has been in an expansion mode. This growth is underscored by recent research and a survey carried out by Deloitte, revealing a significant increase in the number of US healthcare consumers using diagnostic technology for a variety of purposes from 2018 to 2022.

Erityisesti kuluttajien prosenttiosuus, jotka käyttävät puettavia laitteita, sovelluksia, digitaalisia avustajia ja älylaitteita kunto- ja terveysparannustavoitteiden mittaamiseen, nousi 42 %:sta vuonna 2018 49 %:iin vuonna 2022. Lisäksi näiden teknologioiden käyttö terveysongelmien seurantaan kasvoi 27 %:sta vuonna 2018 34 %:iin vuonna 2022.

Ei ainoastaan käyttöönottoasteet ole nousseet, vaan terveydenhuollon diagnostiikkateknologia on myös nähnyt merkittävästi parantuneita asiakastyytyväisyystasoja. Näitä laitteita käyttävistä 78 % koki positiivisen vaikutuksen käyttäytymiseensä. Kaiken kaikkiaan 85 % kuluttajista ilmaisi olonsa mukavaksi käyttäessään diagnostisia testejä terveyden ja terveysriskien arviointiin.

Parantuneiden asiakastyytyväisyystasojen seurauksena sijoittajien ja alan kiinnostus terveydenhuollon diagnostiikkateknologiaan on kasvanut. Vuoden 2021 ensimmäisellä puoliskolla sijoittajat sijoittivat lähes 15 miljardia Yhdysvaltain dollaria 372 digitaaliseen terveydenhuoltokauppaan, mikä on merkittävä kasvu verrattuna vuosikymmenen taakse, jolloin kauppoja oli alle 100 ja investoinnit olivat vain 1,1 miljardia dollaria.

Heijastaen tätä positiivista alan kiinnostusta terveydenhuollon diagnostiikkateknologiaan, lisävalmistuksen sovellusten alasegmentti on myös nähnyt merkittäviä edistysaskeleita. Erinomainen esimerkki tästä on McGill-yliopiston tutkijoiden kehittämä paikan päällä tapahtuva 3D-tulostettu testaus.

Lab-on-a-Chip: 3D-tulostettu läpimurto terveydenhuollon diagnostiikkateknologiassa

McGill-yliopiston tutkijat ovat keksineet ‘lab on a chip’ -diagnostiikkateknologian, joka voi olla pelin muuttaja. Mikrosiru voidaan valmistaa 3D-tulostuksella 30 minuutissa.

Professori David Juncker, McGillin biolääketieteellisen tekniikan osaston puheenjohtaja ja tutkimuksen pääkirjoittaja, totesi, että teknologia auttaisi “yksilöitä, tutkijoita ja teollisuutta tutkimaan uusia mahdollisuuksia ja sovelluksia kustannustehokkaammalla ja käyttäjäystävällisemmällä tavalla.”

Sovellettuna innovaationa se voi auttaa skaalaamaan ja nopeuttamaan diagnostista testausta varustamalla terveydenhuollon ammattilaiset mahdollisuudella “luoda räätälöityjä ratkaisuja erityistarpeisiin suoraan hoitopisteessä.”

Miten Lab-on-a-Chip toimii?

Tutkijat kehittivät kapillaarisiruja, joilla on potentiaalia toimia pienoislaboratorioina. Toisin kuin tietokoneen mikroprosessorit, nämä kapillaarisirut ovat kertakäyttöisiä eikä niille tarvita ulkoista virtalähdettä. Prosessia helpottaa yksinkertainen paperinauha, joka hyödyntää kapillaari-ilmiötä, samoin kuin keittiön pöydällä paperipyyhkeet imevät nestevuotoja.

Tässä menetelmässä oheislaitteita ei tarvita, kuten perinteisissä diagnooseissa. Tässä menetelmässä käytettävät kapillaarisirut ovat 3D-tulostettavia ja niitä voidaan käyttää monenlaisiin testauksiin, mukaan lukien COVID-19-antikovastausten kvantifiointi.

3D-tulostus kustannustehokkaiden tautitunnistusmenetelmien luomiseksi

MIT:n tutkijat ovat kehittäneet toisen lisävalmistuksen tai 3D-tulostukseen perustuvan ratkaisun edullisten ja tarkkojen tautitunnistusvälineiden luomiseksi. Tässä tapauksessa tutkijat hyödyntävät 3D-tulostusta tuottaakseen itsekuumenevia mikrofluidisia laitteita.

Mikrofluidiikka viittaa pienikokoisten koneiden käyttöön, jotka voivat manipuloida nesteitä ja helpottaa kemiallisia reaktioita. Teknologiaa pidetään mahdollisena pelin muuttajana, koska se voi havaita tauteja pienissä verinäytteissä tai nesteissä.

Mikrofluidiikkaa käytetään jo diagnostiikan alalla. Kuitenkin ne vaativat usein monimutkaisen ja kalliin valmistusprosessin, jonka skaalaaminen on vaikeaa.

MIT:n tiimin ratkaisu hyödyntää monimateriaalista 3D-tulostusta itsekuumenevien mikrofluidisten laitteiden luomiseksi. Näissä laitteissa on sisäänrakennetut lämmityselementit.

Prosessi vaatii yhden ja edullisen valmistusmenetelmän. Teknologia on erittäin räätälöitävissä, ja alhaisen kustannuksen valmistusprosessi vaatii vain noin 2 USD:n arvosta materiaaleja, jotta saadaan käyttökelpoinen mikrofluidi.

Jatkuvan tutkimuksen myötä tällä alalla monet yritykset ovat päättäneet viedä lisävalmistuksen laboratoriotason ulkopuolelle ja tehdä siitä käyttökelpoisen laajamittaiseen käyttöön. Tarkastelemme nyt joitakin tällaisia yrityksiä ja niiden ratkaisuja.

1. Allevi

Allevi, yritys, joka tunnetaan biotulostusratkaisuistaan 3D-kudosinsinöörinnässä, organ-on-chip -tutkimuksessa, lääketestauksessa, biomateriaalikehityksessä ja regeneratiivisessa lääketieteessä, väittää palvelevansa satoja laboratorioita maailmanlaajuisesti. Tämän lisäksi se tarjoaa laajan valikoiman lisävalmistustuotteita, jotka edistävät terveydenhuollon ja diagnostiikan alaa. Sen tuotevalikoimaan kuuluu biotulostusohjelmistoja, biomusteita, lisäaineita, soluja, reagensseja ja kulutustarvikkeita.

Erityisesti Allevi valmistaa joitakin teknologisesti edistyneimpiä biotulostimia. Sen Allevi 3 -biotulostimet on suunniteltu ja optimoitu erityisesti tutkimukseen monilla eri aloilla, kuten kudosinsinöörinnässä, materiaalitieteessä, regeneratiivisessa lääketieteessä, tautimallinnuksessa, 3D-kasvatuksessa, mikro-fysiologisissa järjestelmissä, lääkkeiden jakelussa ja muissa. Lisäksi yritys tarjoaa palveluita, kuten räätälöityjä biotulostuksia erilaisiin projekteihin, mukaan lukien soluttomat verkostot, organ-on-a-chip, verisuonijärjestelmien tulostukset ja monimateriaalitulostukset.

Allevi on nyt osa 3D Systems (DDD ) Corporationia (NYSE:DDD). Vuonna 2022 yritys raportoi koko vuoden liikevaihdoksi 538 031 000 $, mikä merkitsee 12,6 %:n laskua vuoden 2021 liikevaihdosta, joka oli 615 639 000 $. Lisäksi se kirjasi nettotappion 122 711 000 $, mikä vastaa laimennettua tappiota osakkeelta 0,96 $ ja laimennettua ei-GAAP-tappiota osakkeelta 0,23 $ vuodelle 2022.

2. EOS

EOS tarjoaa laajan valikoiman 3D-tulostusratkaisuja lääketieteelliseen teknologiaan, palvellen sekä räätälöityjä että optimoituja tuotantomalleja. Yrityksen teolliset 3D-tulostusratkaisut ortooseihin ja proteeseihin mahdollistavat valmistajille tiukkojen laatu- ja sertifiointiohjeiden noudattamisen samalla kun säilytetään yksilöllinen suunnitteluvapaus ja hallitaan kustannuksia.

Hammaslääketieteen alalla EOS:n 3D-tulostusratkaisut auttavat laboratorioita ja palveluntarjoajia toimittamaan johdonmukaisesti korkealaatuisia tuotteita. Lisäksi EOS:n 3D-tulostusteknologia on taitava luomaan monipuolisen valikoiman pintarakenteita. Tämä kyky on erityisen hyödyllinen prosesseissa, kuten luun integroinnissa, mikä helpottaa elävän luukudoksen ja luuimplanttien pinnan välistä yhteensopivuutta. EOS:n 3D-tulostusteknologia myös näyttelee keskeistä roolia laboratoriolaitteiden ja diagnostisten kuvantamislaitteiden komponenttien optimoinnissa.

Se hyödyttää palveluntarjoajia työkaluttomalla tuotannolla, mikä auttaa vähentämään kokoonpanokustannuksia. Ratkaisut tarjoavat joustavat suunnittelu- ja toiminnallisen integraation ominaisuudet. Lisäksi EOS:n 3D-tulostusteknologia nopeuttaa kehityssyklejä ja lyhentää markkinoille saapumisaikaa.

Transworld Systems osti EOS:n joulukuussa 2021, mikä on yksityinen yritys, jonka pääkonttori sijaitsee Wilmingtonissa, Delaware, Yhdysvallat.

3. GE Additive 

GE Additive auttaa soveltamaan lisävalmistusta lääketieteellisissä tieteissä tuoteperusteisten ratkaisujen ja 3D-tulostuskoneiden avulla. Sen EBM-prosessi lannerangan kupille korvaa perinteiset pinnoitteet kolmiulotteisilla verkko- rakenteilla, parantaen alkuliitosta ja mahdollistaen nopeamman fuusiot ja luun kasvun.

Sen verkko- rakenteet on suunniteltu kliinisesti optimoituun huokoskokoon, 650 mikrometriä. GE Additive valmistaa myös sertifioituja, korkean suorituskyvyn jauheita ortopediateollisuudelle, joilla on korkea pallomaisuus, alhainen huokosuus, minimaalinen satelliittipitoisuus sekä luokan paras virtaavuus ja pakkaustiheys.

GE myös toimittaa lisävalmistuskoneita. Sen Arcam EBM Q10 plus on optimoitu ortopedisten implanttien sarjatuotantoon. Sen Concept Laser M2 Series 5 auttaa ylläpitämään johdonmukaisuutta ja tuottamaan toistettavia, korkealaatuisia osia mittakaavassa. Sen Concept Laser Mlab -laitesarja soveltuu nopeaan ja tehokkaaseen korkealaatuisten pintojen osien tuotantoon.

Q3‑ssa 2023 GE raportoi liikevaihdoksi US$17,3 miljardia.

Lisävalmistuksen tulevaisuus terveydenhuollon diagnostiikassa

Olemme jo nähneet maailman huippuyliopistojen tutkijoiden työskentelevän lisävalmistusinnovaation parissa. Nämä innovaatiot tekevät terveydenhuollon diagnostiikasta ehdottomasti saavutettavampaa, vähemmän periferaalista ja kulutustarpeita vaativaa, nopeampaa ja helpommin käyttöönotettavaa. Yritysten, jotka olemme jo maininneet, lisäksi monet muut innovatiiviset yritykset pyrkivät skaalaamaan 3D-tulostusratkaisuja terveys- ja med-teknologiassa.

Esimerkiksi Belgian 3D-tulostusyritys Materialise tarjoaa 3D-tulostusohjelmistoja tutkijoille ja kirurgeille, räätälöityjä kirurgisia opasteita ja muita hoitopisteen työkaluja. Se myy myös räätälöitäviä ortopedisia ratkaisuja, mukaan lukien olkapää-, lannerangan- ja kallon-maksillofasiaalialustat.

Minnesotassa sijaitseva Stratasys tarjoaa 3D-tulostusmahdollisuuksia kirurgisten suunnittelumallien, terveydenhuollon ammattilaisten koulutuksen ja opetuksen, lääketieteellisten laitteiden prototyyppien sekä hammasimplanttien valmistukseen.

Synergeettinen yhteistyö tutkijoiden, tieteellisten instituutioiden, lääkärien, kirurgeiden ja valmistusyritysten välillä auttaisi hyödyntämään lisävalmistusta tai 3D-tulostusta entisestään terveydenhuollon diagnostiikan eduksi.

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta lisävalmistus- ja 3D-tulostusosakkeesta, joihin kannattaa kiinnittää huomiota.