Voiko 3D-tulostus parantaa terveydenhuollon diagnostiikkaa?

Materiaalia lisäävää valmistusta käytetään monilla aloilla, esimerkiksi lentomoottorien polttoainesuuttimiin ja turbiinien osiin. Menetelmä voi mahdollistaa kevyitä ja monimutkaisia rakenteita sekä helpottaa korjaamista. Kestävyys, kustannukset ja tuotantoaika riippuvat kuitenkin materiaalista ja prosessista.

Myös terveydenhuollossa menetelmällä on pitkät perinteet. Lisäävän valmistuksen eli 3D-tulostuksen historia liittyy lääketieteeseen jo useiden vuosikymmenten ajalta.

Diagnostiikan mahdollisuuksien ymmärtämiseksi on erotettava jo käytössä olevat lääkinnälliset laitteet ja vasta tutkimuksessa olevat biologiset kudokset sekä testijärjestelmät.

Lisäävä valmistus lääketieteessä

ASTM Internationalin käyttämässä määritelmässä lisäävä valmistus tarkoittaa esineen valmistamista kolmiulotteisen mallin perusteella materiaalia yhdistämällä, tavallisesti kerroksittain. Se eroaa materiaalia poistavasta valmistuksesta, kuten koneistuksesta.

3D-tulostusta on käytetty muun muassa hammaslääketieteessä, proteeseissa ja potilaskohtaisissa ratkaisuissa. Se soveltuu sekä yksilöllisiin tuotteisiin että tietyissä sovelluksissa sarjatuotantoon; kaikkien näiden tuotteiden valmistus muilla tavoilla ei ole mahdotonta.

Ortopediassa kuvantamiseen perustuva suunnittelu voi auttaa tekemään potilaan anatomiaan sopivia rakenteita. Myös vakiokokoisia implantteja ja muita yksilöllisiä valmistusmenetelmiä on käytetty. Potilailla ei siten aiemmin ollut vain yhtä kaikille sopivaa vaihtoehtoa. Elävien kudosten valmistus on oma, tästä erillinen tutkimusalansa.

Varhaisessa virtsarakon kudosteknologiassa käytettiin kollageenista ja synteettisistä polymeereistä tehtyjä tukirakenteita, joihin lisättiin potilaan soluja. Bostonin ryhmän ensimmäiset potilastoimenpiteet tehtiin vuonna 1999 ja tulokset raportoitiin vuonna 2006. Käsin tehty solutettu tukirakenne ei ole sama asia kuin kokonaisen elimen 3D-biotulostus.

Wake Forestin ITOP-tutkimuksessa tulostettiin korvan, luun ja lihaksen rakenteita, joiden toimintaa tutkittiin eläimissä. Tämä ei osoittanut kokonaisia tulostettuja elimiä rutiinikäyttöön ihmisillä. Brasilialaiset maksatutkimukset puolestaan tuottivat laboratoriossa organoideja, joilla oli maksakudoksen toimintoja. Ne eivät olleet täysikokoisia, kliinisesti maksan korvaavia siirteitä.

On erotettava lääkinnällisten laitteiden 3D-tulostus ja elävien elinten biotulostus. Implantteja, kirurgisia ohjaimia ja ulkoisia proteeseja on kaupallisessa käytössä. Kokonaisten elävien elinten valmistus siirtoja varten on edelleen tutkimuskohde.

Diagnostiikassa kiinnostus kohdistuu esimerkiksi pieniin nestekanaviin, testilaitteisiin ja potilaan lähellä tehtävään analytiikkaan. Valmistusmenetelmä ei yksin takaa testin tarkkuutta tai kliinistä käyttökelpoisuutta.

Katso biotulostukseen liittyvien yritysten osakekatsaus.

Digitaaliset terveyslaitteet ja diagnostiikan kysyntä

Vuoden 2023 artikkeli viittasi Deloitten aiempaan tutkimukseen ja kuluttajakyselyyn. Kyselyt kuvaavat yhdysvaltalaisten vastaajien ilmoittamaa käyttöä ja suhtautumista. Ne eivät yksin mittaa diagnostiikan koko maailmanmarkkinaa tai 3D-tulostuksen osuutta siitä.

Deloitten julkaistussa analyysissä vuoden 2022 kyselyyn vastasi 4 545 yhdysvaltalaista aikuista. Heistä 49 % ilmoitti käyttävänsä puettavia tai muita älylaitteita kunnon ja terveyden edistymisen mittaamiseen; vertailuluku vuodelta 2015 oli 28 %. Eri käyttötarkoitusten lukuja ei pidä sekoittaa etävastaanottoihin tai varsinaisten diagnostisten testien käyttöön.

Laitteen koettu myönteinen vaikutus käyttäytymiseen ei osoita kliinisen lopputuloksen paranemista tai mittaustarkkuutta. Deloitten analyysissä 85 %:n valmius koski geenitestin käyttämistä terveysriskien selvittämiseen, ei kaikkien diagnostisten testien yleistä hyväksyntää.

Alkuperäisessä artikkelissa mainittu lähes 15 miljardin dollarin rahoitus ja 372 rahoituskierrosta vuoden 2021 alkupuoliskolla koskivat laajaa digitaalisen terveydenhuollon sektoria. Ne eivät olleet pelkän diagnostiikan tai biotulostuksen sijoituksia. Vertailun 1,1 miljardia dollaria koski aiempaa kokonaista vuotta, eikä kysely osoita asiakastyytyväisyyden aiheuttaneen rahoituksen kasvua.

Yksi tutkimusesimerkki on McGill-yliopiston työ 3D-tulostettavien kapillaaristen testisirujen kehittämiseksi.

Pienoislaboratorio sirulla

McGill-yliopisto esitteli marraskuussa 2023 kapillaarisirun, joka voitiin tulostaa noin 30 minuutissa. Aika tarkoittaa valmistusta, ei kaikkien näytteiden käsittelyä ja diagnoosin saamista. Lähitestaus oli mahdollinen tuleva sovellus.

Tutkimusta johtanut David Juncker näki mahdollisuuksia tehdä testijärjestelmien kehittämisestä edullisempaa ja helpompaa. Hän johti McGillin biolääketieteellisen tekniikan laitosta.

Tavoitteena on, että terveydenhuollon ammattilaiset voisivat tulevaisuudessa tuottaa tiettyyn tarpeeseen sopivia ratkaisuja lähellä potilasta. Käyttöönotto edellyttää edelleen soveltuvia testimateriaaleja, suorituskyvyn osoittamista ja tarvittavia hyväksyntöjä.

Miten kapillaarisiru toimii?

Kertakäyttöinen mikrofluidinen siru ohjaa pieniä nestemääriä kapillaari-ilmiön avulla. Paperiliuska imee nestettä ja auttaa virtauksen etenemisessä, kuten paperipyyhe imee roiskeen. Nesteen kuljettamiseen ei tarvita ulkoista pumppua. Tämä ei tarkoita, että tulostus tai jokainen tulosten lukumenetelmä toimisi ilman sähköä.

Tutkimuksessa osoitettiin muun muassa SARS-CoV-2-vasta-aineiden määrän mittaamista. Vasta-aineet eivät ole sama asia kuin viruksen suora osoitus tai aktiivisen COVID-19-infektion diagnoosi. Laitteistoa ja tarvikkeita tarvitaan testikohtaisesti, vaikka osa perinteisistä oheislaitteista voidaan välttää.

Tulostettavat lämmityselementit mikrofluidiikassa

MIT:n tutkijat ovat kehittäneet toisen lisävalmistuksen tai 3D-tulostukseen perustuvan ratkaisun mikrofluidisten laitteiden valmistamiseksi sisäänrakennetuilla lämmitysvastuksilla. Kyse on tutkimusprototyypistä, ei valmiiksi hyväksytystä, kaikki sairaudet tunnistavasta testistä.

Mikrofluidiikassa käsitellään pieniä nestemääriä kanavissa. Menetelmää voidaan käyttää reaktioihin ja mittauksiin, joista osa soveltuu veren tai muiden näytteiden diagnostiikkaan.

Eräät mikrofluidiset laitteet tarvitsevat tarkasti hallitun lämpötilan. Niiden perinteinen valmistus ja erilliset lämmittimet voivat olla kalliita; kustannus riippuu rakenteesta ja käyttötarkoituksesta.

MIT tulosti samassa valmistusvaiheessa PLA-polymeeristä nestekanavat ja kuparihiukkasilla muokatusta PLA:sta lämmitysvastuksen. Lämmitys syntyy sähkövirrasta. Itselämpenevä ei siis tarkoita ilman energialähdettä toimivaa laitetta.

Tutkimuksen noin kahden dollarin arvio koski laitteen materiaaleja, ei tulostinta, työtä, sähköä, reagensseja, testin validointia tai koko potilastutkimuksen hintaa. Prototyyppi lämmitti nestettä noin neljä astetta. PLA:n noin 50 °C:n lämpöraja ja lämpötila-anturin puute rajoittivat käyttöä; monien PCR-vaiheiden noin 90 °C:n lämpötilat edellyttivät lisäkehitystä.

Seuraavat yritykset tarjoavat tulostuslaitteita, materiaaleja tai suunnitteluratkaisuja. Niiden tuotteet eivät kaikki ole diagnostisia testejä, eikä tutkimuskäyttö automaattisesti merkitse kliinistä hyväksyntää.

1. Allevi

Allevi tarjoaa biotulostusratkaisuja kudosteknologian, tautimallinnuksen, lääketutkimuksen, biomateriaalien ja regeneratiivisen lääketieteen tutkimukseen. Sen valikoimaan kuuluu ohjelmistoja, biomusteita, soluja, reagensseja ja tarvikkeita. Organ-on-a-chip tarkoittaa elimen tiettyjä toimintoja jäljittelevää tutkimusmallia, ei siirrettävää kokonaista elintä.

Allevi 3 on tutkimuskäyttöön suunniteltu biotulostin. Sovelluksia ovat materiaalitutkimus, kolmiulotteiset soluviljelmät, kudosmallit ja lääkkeiden annostelun tutkimus. Räätälöityjä tulosteita voivat olla soluttomat tukirakenteet, verisuonimallit ja monimateriaalirakenteet.

Allevi kuuluu 3D Systems Corporationiin (DDD ). Seuraavat vuoden 2022 luvut koskevat emoyhtiötä, eivät Allevin erillistä liiketoimintaa. 3D Systems raportoi vuoden 2022 liikevaihdoksi 538,031 miljoonaa dollaria, 12,6 % vähemmän kuin vuoden 2021 615,639 miljoonaa. Nettotappio oli 122,711 miljoonaa dollaria ja laimennettu osakekohtainen tappio 0,96 dollaria; oikaistu ei-GAAP-tappio oli 0,23 dollaria osakkeelta. Kyse on historiallisista vuosiluvuista.

2. EOS

EOS GmbH toimittaa metallien ja muovien teollisen 3D-tulostuksen järjestelmiä. Ortoosien, proteesien ja muiden lääkinnällisten osien valmistajat voivat hyödyntää suunnitteluvapautta. Lopputuotteen laadun, materiaalien ja hyväksyntöjen on silti vastattava kyseistä käyttötarkoitusta.

Hammastekniikassa ja ortopediassa tulostus voi auttaa valmistamaan monimutkaisia pintarakenteita. Osseointegraatio tarkoittaa luukudoksen kiinnittymistä implantin pintaan. Tulostettu rakenne voi tukea sitä, mutta jokaisen laitteen kliininen suorituskyky on osoitettava erikseen. Menetelmää käytetään myös laboratorio- ja kuvantamislaitteiden osiin.

Lisäävä valmistus voi vähentää erillisten muottien tarvetta ja yhdistää useita toimintoja samaan osaan. Kaikki työkalut tai jälkikäsittely eivät silti poistu, eikä hinta tai kehitysaika pienene automaattisesti.

Alkuperäisen artikkelin yritysprofiiliviite sekoitti eri EOS-yhtiöt. Saksalainen EOS GmbH on Kraillingissa toimiva perheyritys. Transworld Systemsin joulukuussa 2021 ostama EOS North America oli saatavien hallintaan ja perintään keskittynyt yhtiö, ei tämä 3D-tulostimien valmistaja.

3. GE Additive, nykyinen Colibrium Additive 

GE Additive nimettiin huhtikuussa 2024 Colibrium Additiveksi osana GE Aerospacea. Sen elektronisuihkusulatusmenetelmä EBM voi valmistaa lonkkamaljan implanttikuppeihin huokoisia hilarakenteita. Acetabular cup tarkoittaa lonkkamaljan kuppia, ei lannerangan rakennetta. Sopiva rakenne voi tukea kiinnittymistä ja luun sisäänkasvua, mutta ei takaa kaikille potilaille nopeampaa paranemista.

Aiemmassa tuotekuvauksessa mainittu 650 mikrometrin huokoskoko koski tiettyä rakennetta, ei kaikkia implantteja. Jauheiden pallomaisuus, huokoisuus ja virtaavuus vaikuttavat valmistukseen. Satelliittihiukkaset ovat jauherakeisiin kiinnittyneitä pienempiä hiukkasia.

Yhtiö toimittaa myös lisävalmistuskoneita. Q10plus on suunnattu muun muassa ortopedisten implanttien valmistukseen. M2 Series 5 ja Mlab ovat muita metalliosien tulostusjärjestelmiä. Arcam EBM ja Concept Laser olivat alkuperäisen artikkelin tuotemerkkejä; niiden nimistö muuttui vuoden 2024 brändiuudistuksessa.

Vuoden 2023 kolmannella neljänneksellä silloinen GE-konserni ilmoitti liikevaihdokseen US$17,3 miljardia. Se on konsernin historiallinen neljännesluku, ei Colibrium Additiven tai GE HealthCaren erillinen liikevaihto. GE-osakekaavio koskee nykyistä pörssiyhtiötä, joten eri aikojen konsernirakenteet on erotettava.

Lisävalmistuksen tulevaisuus terveydenhuollon diagnostiikassa

3D-tulostus voi tehdä osasta diagnostisia laitteita joustavammin valmistettavia. Nopeampi, halvempi ja helpommin saatava testaus ei kuitenkaan ole varma seuraus jokaisesta prototyypistä. Testin luotettavuus, materiaalit, tulosten luku, hyväksynnät ja tuotantoketju ratkaisevat.

Esimerkiksi Belgian 3D-tulostusyritys Materialise tarjoaa ohjelmistoja, potilaskohtaisia leikkausohjaimia sekä esimerkiksi olkapään, lonkkamaljan ja kallon, leukojen sekä kasvojen alueen implanttiratkaisuja. Leikkausohjain ei ole pelkkä opaste, eikä lonkkamaljan implantti ole lannerankaimplantti.

Minnesotassa sijaitseva Stratasys tarjoaa muun muassa leikkaussuunnittelun ja opetuksen malleja, laiteprototyyppejä sekä hammaslääketieteen malleja ja implanttien asennusohjaimia. Implanttimalli tai ohjain ei ole sama asia kuin itse kehoon asetettava hammasimplantti.

Tutkijoiden, terveydenhuollon ammattilaisten ja valmistajien yhteistyö voi auttaa siirtämään soveltuvat menetelmät tutkimuksesta käytäntöön. Eri tuotteiden tekninen ja kliininen kypsyys on arvioitava erikseen.

Katso lisäävään valmistukseen ja 3D-tulostukseen liittyvien osakkeiden katsaus.