La produzione additiva può migliorare la tecnologia diagnostica sanitaria?

La produzione additiva, con le sue diverse applicazioni in molteplici settori, spazia dalla creazione di ugelli di carburante per motori di volo alla riparazione di teste di bruciatori per turbine a gas. È rinomata per la sua durata, leggerezza, capacità di ottimizzazione geometrica e riduzione dei tempi di riparazione, oltre ad altri vantaggi competitivi.

Nel settore sanitario, ha consolidato una presenza significativa. In particolare, la storia della produzione additiva, o stampa 3D, è stata intrecciata con le scienze mediche per decenni.

Ma prima di approfondire il potenziale della produzione additiva nella tecnologia diagnostica sanitaria, diamo una breve panoramica della produzione additiva. Esploreremo la sua definizione e comprenderemo il suo ruolo cruciale nell’evoluzione delle scienze mediche.

Produzione additiva e la sua storia nelle scienze mediche

L’ASTM Society, precedentemente nota come American Society for Testing and Materials, definisce la produzione additiva come “un processo di unione dei materiali per creare oggetti a partire da dati di modello 3D, solitamente strato su strato, in contrapposizione alle metodologie di produzione sottrattiva”.

Il campo delle scienze mediche utilizza la stampa 3D dalla fine degli anni ’90 e dall’inizio degli anni 2000. Ha contribuito alla produzione di impianti dentali e protesi personalizzate. Questi erano prodotti che richiedevano una personalizzazione specifica per il paziente e non potevano essere prodotti in grandi volumi. La stampa 3D ha soddisfatto questi requisiti.

La stampa 3D ha inoltre aiutato il settore dell’ortopedia consentendo ai chirurghi ortopedici di creare una struttura che corrispondesse e imitasse specificamente le caratteristiche fisiologiche del paziente. In precedenza, questi pazienti non avevano altre opzioni se non accontentarsi di impianti “una taglia per tutti”. Dai impianti e protesi, il passo successivo della stampa 3D è stato orientato verso dispositivi mimetici organici.

All’inizio degli anni 2000, il team di ricercatori del Boston Children’s Hospital ha sfruttato lo “scaffolding”, un metodo costruttivo che facilitava la realizzazione manuale di vesciche di ricambio a partire da collagene e polimeri sintetici. Tuttavia, questo metodo era dispendioso in termini di tempo e non facilmente riproducibile. Era anche un approccio costoso alla costruzione di organi. Alla fine, la produzione additiva è comparsa sulla scena per aiutare a risolvere questo problema.

I ricercatori del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine hanno successivamente sviluppato macchine in grado di stampare costantemente organi e tessuti per sperimentazioni cliniche. Dopo questo progresso, un altro gruppo di ricercatori brasiliani ha ulteriormente avanzato la ricerca stampando con successo organoidi. Questi organoidi erano in grado di svolgere tutte le funzioni del fegato umano, inclusa la sintesi di proteine, l’accumulo di vitamine e la secrezione di bile. Tuttavia, questi mini-fegati non erano ancora idonei come sostituti trapiantabili per i veri fegati umani.

A questo punto, sebbene la produzione additiva o la stampa 3D continuassero a trovare valore nel campo delle scienze mediche applicate, la loro applicazione rimaneva principalmente limitata a sperimentazioni cliniche e test di laboratorio.

Naturalmente, è venuto in mente ai ricercatori e ai medici coinvolti di sfruttare la produzione additiva per migliorare la tecnologia diagnostica sanitaria, che rappresenta una quota di mercato significativa a livello globale.

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Il mercato globale della tecnologia diagnostica sanitaria

Il mercato della tecnologia diagnostica sanitaria è in fase di espansione. Questa crescita è evidenziata da recenti ricerche e un sondaggio condotti da Deloitte, che mostrano un aumento significativo del numero di consumatori sanitari statunitensi che utilizzano la tecnologia diagnostica per una varietà di scopi dal 2018 al 2022.

In particolare, la percentuale di consumatori che utilizzano dispositivi indossabili, app, assistenti digitali e dispositivi intelligenti per misurare obiettivi di fitness e miglioramento della salute è passata dal 42% nel 2018 al 49% nel 2022. Inoltre, la proporzione di persone che usano queste tecnologie per monitorare problemi di salute è aumentata, passando dal 27% nel 2018 al 34% nel 2022.

Non solo i numeri di adozione sono aumentati, ma la tecnologia diagnostica sanitaria ha anche registrato livelli di soddisfazione significativamente migliorati tra i consumatori. Tra coloro che utilizzano questi dispositivi, il 78% ha riconosciuto un impatto positivo sul proprio comportamento. Complessivamente, l’85% dei consumatori ha espresso fiducia nell’uso di test diagnostici per valutare la propria salute e i rischi per la salute.

La conseguenza dei maggiori livelli di soddisfazione dei clienti ha influenzato positivamente l’interesse di investitori e industria nella tecnologia diagnostica sanitaria. nella prima metà del 2021, gli investitori hanno immesso quasi 15 miliardi di dollari in 372 accordi di sanità digitale, un aumento notevole rispetto a un decennio fa, quando i numeri erano limitati a meno di 100 accordi e solo 1,1 miliardi di dollari di investimenti.

Riflettendo questo interesse positivo dell’industria nella tecnologia diagnostica sanitaria, il sotto-segmento delle applicazioni della produzione additiva ha registrato notevoli progressi. Un esempio lampante è lo sviluppo di test stampati in 3D sul posto da parte dei ricercatori dell’Università McGill.

Lab-on-a-Chip: una svolta stampata in 3D nella tecnologia diagnostica sanitaria

I ricercatori dell’Università McGill hanno inventato una tecnologia diagnostica “lab on a chip” che potrebbe cambiare le regole del gioco. Il chip può essere realizzato tramite stampa 3D in 30 minuti.

Il professor David Juncker, presidente del Dipartimento di Ingegneria Biomedica presso McGill e autore senior dello studio, ha dichiarato che la tecnologia aiuterà “individui, ricercatori e industrie a esplorare nuove possibilità e applicazioni in modo più economico e user‑friendly”.

L’innovazione nella sua forma applicata può aiutare a scalare e accelerare i test diagnostici fornendo ai professionisti sanitari la capacità di “creare soluzioni su misura per esigenze specifiche direttamente al punto di cura”.

Come funziona il Lab-on-a-Chip?

I ricercatori hanno sviluppato chip capillari con il potenziale di funzionare come laboratori in miniatura. A differenza dei microprocessori informatici, questi chip capillari sono monouso e operano senza una fonte di energia esterna. Il processo è facilitato da una semplice striscia di carta che utilizza l’azione capillare, simile a come le salviette di carta assorbono le fuoriuscite di liquido su un tavolo da cucina.

In questo metodo, non sono necessari periferici, come avviene nella diagnostica tradizionale. I chip capillari utilizzati in questo metodo sono stampabili in 3D e possono essere impiegati per una serie di test, inclusa la quantificazione degli anticorpi COVID‑19.

Stampa 3D per metodi di rilevamento delle malattie a costi contenuti

I ricercatori del MIT hanno ideato un’altra soluzione di produzione additiva o soluzione basata sulla stampa 3D per creare strumenti di rilevamento delle malattie economici e accurati. In questo caso, i ricercatori sfruttano la stampa 3D per produrre dispositivi microfluidici auto‑riscaldanti.

La microfluidica si riferisce all’uso di macchine in miniatura che possono manipolare fluidi e facilitare reazioni chimiche. La tecnologia è considerata un potenziale punto di svolta poiché può rilevare malattie in minuscoli campioni di sangue o fluidi.

La microfluidica è già in uso nel campo della diagnosi. Tuttavia, spesso richiede un processo di fabbricazione complicato e costoso, difficile da scalare.

La soluzione del team MIT utilizza la stampa 3D multimediale per creare dispositivi microfluidici auto‑riscaldanti. Questi dispositivi sono dotati di elementi riscaldanti integrati.

Il processo richiede una singola e poco costosa procedura di produzione. Inoltre, la tecnologia è altamente personalizzabile, con il processo di fabbricazione a basso costo che richiede solo circa 2 USD di materiali per ottenere un microfluidico pronto all’uso.

Con la ricerca continua in questo settore, molte aziende hanno deciso di portare la produzione additiva oltre il contesto dei laboratori e renderla utilizzabile su larga scala. Ora esamineremo alcune di queste aziende e le loro soluzioni.

1. Allevi

Allevi, azienda nota per le sue soluzioni di biostampa nell’ingegneria tissutale 3D, nella ricerca organ‑on‑chip, nei test farmacologici, nello sviluppo di biomateriali e nella medicina rigenerativa, afferma di servire centinaia di laboratori in tutto il mondo. Oltre a ciò, offre anche una gamma completa di prodotti di produzione additiva, potenziando il settore sanitario e diagnostico. La sua gamma di prodotti comprende software di biostampa, bioink, additivi, cellule, reagenti e consumabili.

In particolare, Allevi produce alcune delle biostampanti più avanzate tecnologicamente. Le sue biostampanti Allevi 3 sono specificamente progettate e ottimizzate per la ricerca in diversi ambiti come l’ingegneria tissutale, la scienza dei materiali, la medicina rigenerativa, la modellazione delle malattie, la coltura 3D, i sistemi microfisiologici, il rilascio di farmaci e altro. Inoltre, l’azienda offre servizi come biostampe personalizzate per vari progetti, inclusi scaffold privi di cellule, organ‑on‑a‑chip, stampe vascolari e stampe multimediali.

Allevi è ora parte di 3D Systems Corporation (DDD ) (NYSE:DDD). Nel 2022, l’azienda ha riportato un fatturato annuo di $538.031.000, segnando una diminuzione del 12,6 % rispetto al fatturato del 2021 di $615.639.000. Inoltre, ha registrato una perdita netta di $122.711.000, che corrisponde a una perdita diluita per azione di $0,96 e a una perdita non‑GAAP diluita per azione di $0,23 per l’anno 2022.

2. EOS

EOS offre un’ampia gamma di soluzioni di stampa 3D per la tecnologia medica, rispondendo sia a paradigmi di produzione personalizzati che ottimizzati. Le soluzioni industriali di stampa 3D di EOS per ortesi e protesi consentono ai produttori di rispettare rigorosi standard di qualità e certificazione, mantenendo al contempo la libertà di progettazione individuale e controllando i costi.

Nel settore della tecnologia dentale, le soluzioni di stampa 3D di EOS assistono laboratori e fornitori di servizi nella consegna di prodotti costantemente di alta qualità. Inoltre, la tecnologia di stampa 3D di EOS è abile nella creazione di una vasta gamma di strutture superficiali. Questa capacità è particolarmente utile per processi come l’osseointegrazione, facilitando l’integrazione tra tessuto osseo vivente e la superficie degli impianti ossei. La tecnologia di stampa 3D di EOS svolge anche un ruolo cruciale nell’ottimizzazione dei componenti per apparecchiature di laboratorio e dispositivi di imaging diagnostico.

Vantaggia i fornitori di servizi con una produzione senza utensili che aiuta a ridurre i costi di assemblaggio. Le soluzioni offrono proprietà di design flessibile e integrazione funzionale. Inoltre, la tecnologia di stampa 3D di EOS accelera i cicli di sviluppo e riduce i tempi di immissione sul mercato.

Transworld Systems ha acquisito EOS per un importo non divulgato nel dicembre 2021, azienda privata con sede a Wilmington, Delaware, Stati Uniti.

3. GE Additive 

GE Additive aiuta ad applicare la produzione additiva nel campo delle scienze mediche con soluzioni basate su prodotti e macchine di stampa 3D. Il suo processo EBM per le coppe acetabolari sostituisce i rivestimenti tradizionali con strutture reticolari tridimensionali, migliorando la fissazione iniziale e consentendo una fusione più rapida e la crescita ossea.

Le sue strutture reticolari sono progettate per una dimensione di poro clinicamente ottimizzata di 650 micron. GE Additive produce anche polveri certificate ad alte prestazioni per l’industria ortopedica, con alta sfericità, bassa porosità, contenuto satellitare minimo e la migliore fluidità e densità di impacchettamento della categoria.

GE fornisce anche macchine per la produzione additiva. Il suo Arcam EBM Q10 plus è ottimizzato per la produzione seriale di impianti ortopedici. La sua Concept Laser M2 Series 5 aiuta a mantenere la coerenza e a produrre parti ripetibili e di alta qualità su larga scala. La famiglia di strumenti Concept Laser Mlab è adatta per la produzione rapida ed efficiente di parti ad alta qualità superficiale.

Per il Q3 2023, GE ha riportato un fatturato di US$17,3 miliardi.

Il futuro della produzione additiva nella diagnostica sanitaria

Abbiamo già visto ricercatori delle migliori università di tutto il mondo lavorare su innovazioni nella produzione additiva. Queste innovazioni renderanno sicuramente la diagnostica sanitaria più accessibile, meno periferica e meno intensiva in consumabili, più veloce e facile da implementare. Oltre alle aziende già citate, molte altre imprese innovative stanno lavorando per scalare le soluzioni di stampa 3D nel settore della tecnologia sanitaria e med‑tech.

Ad esempio, l’azienda belga di stampa 3D Materialise offre software di stampa 3D per ricercatori e chirurghi, guide chirurgiche personalizzate e altri strumenti point‑of‑care. Vende anche soluzioni ortopediche personalizzabili, inclusi impianti per spalla, anca acetabolare e cranio‑massillofacciali.

L’azienda con sede nel Minnesota Stratasys offre capacità di stampa 3D per modelli di pianificazione chirurgica, formazione ed educazione dei professionisti sanitari, prototipazione di dispositivi medici e impianti dentali.

Una collaborazione sinergica tra ricercatori, istituzioni scientifiche, medici, chirurghi e aziende manifatturiere aiuterebbe a sfruttare ulteriormente la produzione additiva o la stampa 3D a beneficio della diagnostica sanitaria.

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