La fabrication additive peut-elle améliorer la technologie de diagnostic médical ?

La fabrication additive, avec ses diverses applications dans de multiples industries, va de la création de buses de carburant pour les moteurs d’avion à la réparation de têtes de brûleur pour les turbines à gaz. Elle est reconnue pour sa durabilité, ses caractéristiques légères, ses capacités d’optimisation géométrique et la réduction du temps de réparation, ainsi que d’autres avantages concurrentiels.

Dans le secteur de la santé, elle a établi une présence importante. Notamment, l’histoire de la fabrication additive, ou l’impression 3D, est liée aux sciences médicales depuis plusieurs décennies.

Mais avant d’explorer plus en profondeur le potentiel de la fabrication additive dans la technologie de diagnostic médical, commençons par un bref aperçu de la fabrication additive. Nous examinerons sa définition et comprendrons son rôle crucial dans l’évolution des sciences médicales.

Fabrication additive et son histoire dans les sciences médicales

L’ASTM Society, auparavant connue sous le nom d’American Society for Testing and Materials, définit la fabrication additive comme « un processus d’assemblage de matériaux pour créer des objets à partir de données de modèle 3D, généralement couche par couche, par opposition aux méthodologies de fabrication soustractive ».

Le domaine des sciences médicales exploite l’impression 3D depuis la fin des années 1990 et le début des années 2000. Elle a permis de produire des implants dentaires et des prothèses personnalisées. Ces produits nécessitaient une personnalisation spécifique au patient et ne pouvaient pas être fabriqués en grande série. L’impression 3D a permis de répondre à ces exigences.

L’impression 3D a également aidé le domaine de l’orthopédie en permettant aux chirurgiens orthopédistes de créer une structure qui correspondait spécifiquement et imitait les caractéristiques physiologiques d’un patient. Auparavant, ces patients n’avaient d’autre choix que de se contenter d’implants « taille unique ». Après les implants et les prothèses, la prochaine étape de l’impression 3D s’est orientée vers des dispositifs mimétiques organiques.

Au début des années 2000, l’équipe de chercheurs de l’hôpital pour enfants de Boston a exploité le « scaffolding », une méthode de construction qui facilitait la fabrication manuelle de vessies de remplacement à partir de collagène et de polymère synthétique. Cependant, cette méthode était chronophage et difficilement reproductible. Elle était également coûteuse pour la construction d’organes. Finalement, la fabrication additive est apparue pour aider à résoudre ce problème.

Les chercheurs de l’Institut Wake Forest for Regenerative Medicine ont finalement développé des machines capables d’imprimer de façon constante des organes et des tissus pour des essais cliniques. Suite à cette avancée, un autre groupe de chercheurs brésiliens a poursuivi les progrès en bioprintant avec succès des organoïdes. Ces organoïdes pouvaient accomplir toutes les fonctions du foie humain, notamment la synthèse de protéines, le stockage de vitamines et la sécrétion de bile. Cependant, ces petits foies n’étaient pas encore viables comme greffes de remplacement pour de véritables foies humains.

À ce stade, bien que la fabrication additive ou l’impression 3D continuait à apporter de la valeur dans le domaine des sciences médicales appliquées, son application restait principalement limitée aux essais cliniques et aux tests en laboratoire.

Naturellement, les chercheurs et médecins impliqués ont pensé à exploiter la fabrication additive pour améliorer la technologie de diagnostic médical, qui représente une taille de marché importante à l’échelle mondiale.

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Le marché mondial de la technologie de diagnostic médical

Le marché de la technologie de diagnostic médical est en phase d’expansion. Cette croissance est soulignée par des recherches et une enquête récentes menées par Deloitte, révélant une augmentation significative du nombre de consommateurs américains de soins de santé utilisant la technologie de diagnostic à diverses fins entre 2018 et 2022.

Plus précisément, le pourcentage de consommateurs utilisant des appareils portables, des applications, des assistants numériques et des appareils intelligents pour mesurer leurs objectifs de forme physique et d’amélioration de la santé est passé de 42 % en 2018 à 49 % en 2022. De plus, la proportion de personnes utilisant ces technologies pour surveiller des problèmes de santé a également augmenté, passant de 27 % en 2018 à 34 % en 2022.

Non seulement les chiffres d’adoption ont explosé, mais la technologie de diagnostic médical a également constaté une amélioration significative du niveau de satisfaction des consommateurs. Parmi les utilisateurs de ces appareils, 78 % ont reconnu un impact positif sur leur comportement. Au total, 85 % des consommateurs se sentent à l’aise d’utiliser des tests de diagnostic pour évaluer leur santé et leurs risques sanitaires.

La conséquence de l’amélioration du niveau de satisfaction client a positivement influencé l’intérêt des investisseurs et de l’industrie pour la technologie de diagnostic médical. Au premier semestre 2021, les investisseurs ont injecté près de 15 milliards de dollars américains dans 372 transactions de santé numérique, une hausse substantielle par rapport à il y a dix ans, où le nombre de transactions était inférieur à 100 et les investissements ne s’élevaient qu’à 1,1 milliard de dollars.

En écho à cet intérêt positif de l’industrie pour la technologie de diagnostic médical, le sous‑segment des applications de la fabrication additive a également connu des avancées notables. Un exemple phare est le développement de tests imprimés en 3D sur place par des chercheurs de l’Université McGill.

Lab-on-a-Chip : une percée imprimée en 3D dans la technologie de diagnostic médical

Des chercheurs de l’Université McGill ont inventé une technologie de diagnostic « lab on a chip » qui pourrait changer la donne. La puce peut être fabriquée par impression 3D en moins de 30 minutes.

Le professeur David Juncker, président du département de génie biomédical à McGill et auteur principal de l’étude, a déclaré que la technologie aiderait « les individus, les chercheurs et les industries à explorer de nouvelles possibilités et applications de manière plus économique et conviviale ».

L’innovation, dans sa forme appliquée, peut aider à augmenter l’échelle et à accélérer les tests de diagnostic en dotant les professionnels de santé de la capacité et de la portée pour « créer des solutions sur mesure pour des besoins spécifiques directement au point de soins ».

Comment fonctionne le Lab-on-a-Chip ?

Les chercheurs ont développé des puces capillaires pouvant fonctionner comme de minuscules laboratoires. Contrairement aux microprocesseurs informatiques, ces puces capillaires sont à usage unique et fonctionnent sans source d’alimentation externe. Le processus est facilité par une simple bande de papier qui utilise l’action capillaire, similaire à la façon dont les essuie‑tissus absorbent les éclaboussures de liquide sur une table de cuisine.

Dans cette méthode, aucun périphérique n’est requis, comme c’est le cas dans les diagnostics traditionnels. Les puces capillaires utilisées dans cette méthode sont imprimables en 3D et peuvent être utilisées pour une gamme de tests, y compris la quantification des anticorps COVID‑19.

Impression 3D pour des méthodes de détection de maladies économiques

Des chercheurs du MIT ont proposé une autre solution de fabrication additive ou solution basée sur l’impression 3D pour créer des outils de détection de maladies bon marché et précis. Dans ce cas, les chercheurs exploitent l’impression 3D pour produire des dispositifs microfluidiques auto‑chauffants.

La microfluidique désigne l’utilisation de machines miniatures capables de manipuler des fluides et de faciliter des réactions chimiques. Cette technologie est considérée comme un potentiel bouleverseur car elle peut détecter des maladies à partir de très petits échantillons de sang ou de fluides.

La microfluidique est déjà utilisée dans le domaine du diagnostic. Cependant, elle nécessite souvent un processus de fabrication compliqué et coûteux, difficile à mettre à l’échelle.

La solution de l’équipe du MIT utilise l’impression 3D multi‑matériaux pour créer des dispositifs microfluidiques auto‑chauffants. Ces dispositifs sont équipés d’éléments chauffants intégrés.

Le processus nécessite une fabrication unique et peu coûteuse. De plus, la technologie est hautement personnalisable, le processus de fabrication à faible coût ne nécessitant qu’environ 2 USD de matériaux pour obtenir une microfluidique immédiatement utilisable.

Avec la recherche continue dans ce domaine, de nombreuses entreprises ont décidé de pousser la fabrication additive au‑delà du cadre des laboratoires et de la rendre utilisable à grande échelle. Nous allons maintenant examiner quelques‑unes de ces entreprises et leurs solutions.

1. Allevi

Allevi, une entreprise reconnue pour ses solutions de bioprinting dans le génie tissulaire 3D, la recherche organ‑on‑chip, les tests de médicaments, le développement de biomatériaux et la médecine régénérative, affirme desservir des centaines de laboratoires dans le monde. Au‑delà de cela, elle propose également une gamme complète de produits de fabrication additive, renforçant le domaine de la santé et du diagnostic. Sa gamme de produits comprend des logiciels de bioprinting, des bio‑encres, des additifs, des cellules, des réactifs et des consommables.

Notamment, Allevi fabrique certains des bioprinters les plus avancés technologiquement. Ses bioprinters Allevi 3 sont spécialement conçus et optimisés pour la recherche dans divers domaines tels que le génie tissulaire, la science des matériaux, la médecine régénérative, la modélisation de maladies, la culture 3D, les systèmes microphysiologiques, la délivrance de médicaments, et plus encore. De plus, l’entreprise propose des services comme les bioprints personnalisés pour divers projets, incluant des échafaudages sans cellules, des organes‑on‑chip, des impressions vasculaires et des impressions multi‑matériaux.

Allevi fait désormais partie de 3D Systems Corporation (DDD ) (NYSE:DDD). En 2022, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires annuel de 538 031 000 $, soit une baisse de 12,6 % par rapport au chiffre d’affaires de 2021 de 615 639 000 $. De plus, elle a enregistré une perte nette de 122 711 000 $, ce qui correspond à une perte diluée par action de 0,96 $ et à une perte diluée non‑GAAP par action de 0,23 $ pour l’année 2022.

2. EOS

EOS propose une large gamme de solutions d’impression 3D pour la technologie médicale, répondant à la fois aux paradigmes de production personnalisée et optimisée. Les solutions d’impression 3D industrielles d’EOS pour les orthèses et les prothèses permettent aux fabricants de respecter des exigences strictes de qualité et de certification tout en conservant la liberté de conception individuelle et en maîtrisant les coûts.

Dans le domaine de la technologie dentaire, les solutions d’impression 3D d’EOS aident les laboratoires et les prestataires de services à fournir des produits constamment de haute qualité. De plus, la technologie d’impression 3D d’EOS est capable de créer une variété d’structures de surface. Cette capacité est particulièrement bénéfique pour des processus comme l’ostéointégration, facilitant l’intégration entre le tissu osseux vivant et la surface des implants osseux. La technologie d’impression 3D d’EOS joue également un rôle crucial dans l’optimisation des composants pour les équipements de laboratoire et les appareils d’imagerie diagnostique.

Elle profite aux prestataires de services grâce à une production sans outillage qui aide à réduire les coûts d’assemblage. Les solutions offrent des propriétés de conception flexible et d’intégration fonctionnelle. De plus, la technologie d’impression 3D d’EOS accélère les cycles de développement et réduit le délai de mise sur le marché.

Transworld Systems a acquis EOS pour un montant non divulgué en décembre 2021, qui est une société privée dont le siège se trouve à Wilmington, Delaware, États‑Unis.

3. GE Additive 

GE Additive aide à appliquer la fabrication additive dans le domaine des sciences médicales grâce à des solutions basées sur les produits et des machines d’impression 3D. Son procédé EBM pour les cups acétabulaires remplace les revêtements traditionnels par des structures en treillis tridimensionnel, améliorant la fixation initiale et permettant une fusion et une croissance osseuse plus rapides.

Ses structures en treillis sont conçues pour une taille de pore cliniquement optimisée de 650 microns. Les additifs de GE créent également des poudres certifiées, haute performance pour l’industrie orthopédique, avec une haute sphéricité, de faibles porosités, un contenu satellite minimal, et une fluidité et densité d’emballage parmi les meilleures du secteur.

GE fournit également des machines de fabrication additive. Son Arcam EBM Q10 plus est optimisé pour la production en série d’implants orthopédiques. Sa série Concept Laser M2 Series 5 aide à maintenir la cohérence et à produire des pièces répétables et de haute qualité à grande échelle. La famille d’instruments Concept Laser Mlab convient à la production rapide et efficace de pièces de haute qualité de surface.

Pour le troisième trimestre 2023, GE a déclaré un chiffre d’affaires de 17,3 milliards de dollars US.

L’avenir de la fabrication additive dans les diagnostics médicaux

Nous avons déjà vu des chercheurs des meilleures universités du monde travailler sur des innovations en fabrication additive. Ces innovations rendront certainement les diagnostics médicaux plus accessibles, moins périphériques et moins gourmands en consommables, plus rapides et plus faciles à déployer. En plus des entreprises déjà mentionnées ci‑dessus, de nombreuses autres entreprises innovantes travaillent à l’échelle des solutions d’impression 3D dans la santé et la med‑tech.

Par exemple, l’entreprise belge d’impression 3D Materialise propose des logiciels d’impression 3D pour les chercheurs et les chirurgiens, des guides chirurgicaux personnalisés et d’autres outils point‑de‑soin. Elle vend également des solutions orthopédiques personnalisables, incluant des implants d’épaule, de hanche acétabulaire et cranio‑maxillofaciaux.

L’entreprise basée au Minnesota Stratasys offre des capacités d’impression 3D pour les modèles de planification chirurgicale, la formation et l’éducation des professionnels de santé, le prototypage de dispositifs médicaux et les implants dentaires.

Une collaboration synergique entre chercheurs, institutions scientifiques, médecins, chirurgiens et entreprises de fabrication aiderait à exploiter davantage la fabrication additive ou l’impression 3D au profit des diagnostics médicaux.

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