Kan Additieve Fabricage de Gezondheidsdiagnostische Technologie Verbeteren?

Additieve fabricage, met zijn diverse toepassingen in meerdere industrieën, varieert van het maken van brandstofnozzles voor vliegtuigmotoren tot het repareren van branderkoppen voor gasturbines. Het staat bekend om zijn duurzaamheid, lichtgewicht eigenschappen, mogelijkheden voor geometrische optimalisatie en verkorte reparatietijd, naast andere concurrentievoordelen.

In de gezondheidszorg heeft het een aanzienlijke aanwezigheid opgebouwd. Opmerkelijk is dat de geschiedenis van additieve fabricage, of 3D-printen, al tientallen jaren verweven is met de medische wetenschappen.

Maar voordat we dieper ingaan op het potentieel van additieve fabricage in de gezondheidsdiagnostische technologie, laten we eerst een kort overzicht van additieve fabricage geven. We zullen de definitie verkennen en de cruciale rol ervan in de evolutie van de medische wetenschappen begrijpen.

Additieve Fabricage en de Geschiedenis in de Medische Wetenschappen

De ASTM Society, voorheen bekend als de American Society for Testing and Materials, definieert additieve fabricage als “een proces waarbij materialen worden samengevoegd om objecten te maken op basis van 3D-modelgegevens, meestal laag voor laag, in tegenstelling tot subtractieve productiemethodologieën”.

Het vakgebied van de medische wetenschappen maakt sinds het einde van de jaren 1990 en het begin van de jaren 2000 gebruik van 3D-printen. Het hielp bij het produceren van tandheelkundige implantaten en op maat gemaakte protheses. Dit waren producten die patiëntspecifieke aanpassing vereisten en niet in grote volumes konden worden geproduceerd. 3D-printen hielp aan deze criteria te voldoen.

3D-printen heeft ook de orthopedie geholpen door orthopedisch chirurgen in staat te stellen een structuur te creëren die specifiek overeenkwam met en de fysiologische kenmerken van een patiënt nabootste. Voorheen hadden dergelijke patiënten geen andere opties dan zich tevreden te stellen met ‘one size fits all’-implantaten. Van implantaten en protheses ging de volgende stap van 3D-printen richting organische mimetische apparaten.

Begin jaren 2000 maakte het onderzoeksteam van het Boston Children’s Hospital gebruik van ‘scaffolding’, een constructiemethode die handmatig bouwen van vervangende blaasjes uit collageen en synthetisch polymeer mogelijk maakte. Deze methode was echter tijdrovend en niet gemakkelijk reproduceerbaar. Het was ook een dure aanpak voor orgaanbouw. Uiteindelijk kwam additieve fabricage op het toneel om dit probleem op te lossen.

Onderzoekers van het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ontwikkelden uiteindelijk machines die in staat waren om consequent organen en weefsels te printen voor klinische proeven. Na deze vooruitgang zette een andere groep Braziliaanse onderzoekers de ontwikkeling voort door met succes organoïden te bioprinten. Deze organoïden konden alle functies van de menselijke lever uitvoeren, waaronder het produceren van eiwitten, het opslaan van vitaminen en het afscheiden van gal. Deze miniatuurleveren waren echter nog niet levensvatbaar als getransplanteerde vervangers voor echte menselijke lever.

Op dit punt, terwijl additieve fabricage of 3D-printen nog steeds waarde vond in het vakgebied van de toegepaste medische wetenschappen, bleef de toepassing grotendeels beperkt tot klinische proeven en laboratoriumtests.

Natuurlijk kwam het de onderzoekers en artsen die betrokken waren op het idee om additieve fabricage te benutten bij het verbeteren van gezondheidsdiagnostische technologie, die wereldwijd een aanzienlijke marktgrootte heeft.

Klik hier voor de lijst van de beste 3D-bioprinting aandelen.

De Wereldwijde Markt van Gezondheidsdiagnostische Technologie

De markt voor gezondheidsdiagnostische technologie bevindt zich in een expansiefase. Deze groei wordt onderstreept door recent onderzoek en een enquête uitgevoerd door Deloitte, die een aanzienlijke toename laat zien in het aantal Amerikaanse zorgconsumenten dat van 2018 tot 2022 diagnostische technologie voor diverse doeleinden gebruikte.

Specifiek steeg het percentage consumenten dat wearables, apps, digitale assistenten en slimme apparaten gebruikt om fitness- en gezondheidsverbeteringsdoelen te meten van 42% in 2018 naar 49% in 2022. Bovendien steeg het aandeel mensen dat deze technologieën gebruikt om gezondheidsproblemen te monitoren, van 27% in 2018 naar 34% in 2022.

Niet alleen zijn de adoptiecijfers gestegen, maar de gezondheidsdiagnostische technologie heeft ook aanzienlijk verbeterde tevredenheidsniveaus onder consumenten gezien. Van de gebruikers van deze apparaten erkende 78% een positieve impact op hun gedrag. In totaal gaf 85% van de consumenten aan zich prettig te voelen bij het gebruik van diagnostische tests om hun gezondheid en gezondheidsrisico’s te beoordelen.

Het gevolg van de verbeterde klanttevredenheid heeft de interesse van investeerders en de industrie in gezondheidsdiagnostische technologie positief beïnvloed. In de eerste helft van 2021 injecteerden investeerders bijna US$15 miljard in 372 digitale zorgdeals, een aanzienlijke stijging ten opzichte van een decennium geleden, toen het aantal beperkt was tot minder dan 100 deals en slechts US$1,1 miljard aan investeringen.

Deze positieve industriële interesse in gezondheidsdiagnostische technologie weerklinkt, en het subsegment van additieve fabricage-toepassingen zag ook opmerkelijke vooruitgangen. Een voornaam voorbeeld hiervan is de ontwikkeling van directe 3D-geprinte tests door onderzoekers van de McGill University.

Lab-on-a-Chip: Een 3D-geprinte Doorbraak in Gezondheidsdiagnostische Technologie

Onderzoekers van de McGill University hebben een ‘lab on a chip’ diagnostische technologie uitgevonden die een keerpunt kan betekenen. De chip kan binnen 30 minuten via 3D-printen worden vervaardigd.

Professor David Juncker, voorzitter van de afdeling Biomedische Technologie aan McGill en senior auteur van de studie, zei dat de technologie “individuen, onderzoekers en industrieën zou helpen om nieuwe mogelijkheden en toepassingen op een kosteneffectievere en gebruiksvriendelijkere manier te verkennen.”

De innovatie in toegepaste vorm kan helpen diagnostische tests op te schalen en te versnellen door zorgprofessionals uit te rusten met de mogelijkheid om “op maat gemaakte oplossingen voor specifieke behoeften direct op het punt van zorg te creëren.”

Hoe Werkt Lab-on-a-Chip?

De onderzoekers ontwikkelden capillaire chips met het potentieel om te functioneren als miniatuurlaboratoria. In tegenstelling tot computermicroprocessoren zijn deze capillaire chips eenmalig gebruik en werken ze zonder een externe stroombron. Het proces wordt gefaciliteerd door een eenvoudige papieren strip die capillaire werking benut, vergelijkbaar met hoe papieren handdoeken vloeistof morsen op een keukentafel absorberen.

In deze methode zijn randapparatuur niet vereist, zoals bij traditionele diagnostiek. De capillaire chips die in deze methode worden gebruikt zijn 3D-printbaar en kunnen worden ingezet voor een reeks tests, waaronder kwantificering van COVID-19-antistoffen.

3D-Printen voor Kostenefficiënte Detectiemethoden van Ziekten

MIT-onderzoekers hebben een andere additieve fabricage- of 3D-printgestuurde oplossing bedacht om goedkope en nauwkeurige ziektedetectietools te creëren. De onderzoekers maken in dit geval gebruik van 3D-printen om zelfverwarmende microfluïdische apparaten te produceren.

Microfluïdica verwijst naar het gebruik van miniatuurmachines die vloeistoffen kunnen manipuleren en chemische reacties kunnen faciliteren. De technologie wordt gezien als een potentiële keerpunt omdat ze ziekten kan detecteren in kleine monsters van bloed of vloeistoffen.

Microfluïdica wordt al gebruikt op het gebied van diagnostiek. Ze vereisen echter vaak een ingewikkeld en duur fabricageproces, dat moeilijk op te schalen is.

De oplossing van het MIT-team maakt gebruik van multi-materiaal 3D-printen om zelfverwarmende microfluïdische apparaten te creëren. Deze apparaten zijn voorzien van ingebouwde verwarmingselementen.

Het proces vereist een enkel en goedkoop fabricageproces. En de technologie is zeer aanpasbaar, waarbij het lage-kostprijs fabricageproces slechts ongeveer US$2 aan materialen nodig heeft om een direct bruikbare microfluïd te produceren.

Met voortgezet onderzoek in dit vakgebied hebben veel bedrijven besloten om additieve fabricage buiten de laboratoriumomgeving te brengen en bruikbaar te maken voor grootschalig gebruik. We zullen nu enkele van deze bedrijven en hun oplossingen bekijken.

1. Allevi

Allevi, een bedrijf dat bekend staat om zijn bioprintoplossingen in 3D‑weefselengine­ering, organ‑on‑chip onderzoek, medicijntesten, biomateriaalontwikkeling en regeneratieve geneeskunde, beweert honderden laboratoria wereldwijd te bedienen. Daarnaast biedt het een uitgebreid assortiment aan additieve fabricageproducten, die het veld van gezondheidszorg en diagnostiek verbeteren. Het productassortiment omvat bioprintsoftware, bio‑inkten, additieven, cellen, reagentia en verbruiksartikelen.

Opmerkelijk is dat Allevi enkele van de technologisch meest geavanceerde bioprinter produceert. De Allevi 3 bioprinter is specifiek ontworpen en geoptimaliseerd voor onderzoek in diverse gebieden zoals weefselengine­ering, materiaalkunde, regeneratieve geneeskunde, ziektemodellering, 3D‑cultuur, microfysiologische systemen, medicijnafgifte en meer. Bovendien biedt het bedrijf diensten zoals op maat gemaakte bioprints voor verschillende projecten, waaronder celvrije scaffolds, organ‑on‑chip, vasculaire prints en multi‑materiaal prints.

Allevi maakt nu deel uit van 3D Systems Corporation (DDD ) (NYSE:DDD). In 2022 rapporteerde het bedrijf een volledige jaaromzet van $538.031.000, wat een daling van 12,6% betekent ten opzichte van de omzet van $615.639.000 in 2021. Daarnaast noteerde het een nettoverlies van $122.711.000, wat overeenkomt met een verwaterd verlies per aandeel van $0,96 en een verwaterd niet‑GAAP verlies per aandeel van $0,23 voor het jaar 2022.

2. EOS

EOS biedt een breed scala aan 3D-printoplossingen voor medische technologie, die zowel op maat gemaakte als geoptimaliseerde productiemodellen bedienen. De industriële 3D-printoplossingen van het bedrijf voor orthesen en protheses stellen fabrikanten in staat te voldoen aan strenge kwaliteits- en certificeringsrichtlijnen, terwijl ze individuele ontwerpvrijheid behouden en kosten beheersen.

Op het gebied van tandtechnologie ondersteunen de 3D-printoplossingen van EOS laboratoria en dienstverleners bij het leveren van consequent hoogwaardige producten. Bovendien is de 3D-printtechnologie van EOS bedreven in het creëren van een divers scala aan oppervlakstructuren. Deze mogelijkheid is bijzonder nuttig voor processen zoals osseointegratie, die de integratie tussen levend botweefsel en het oppervlak van botimplantaten vergemakkelijkt. De 3D-printtechnologie van EOS speelt ook een cruciale rol bij het optimaliseren van componenten voor laboratoriumapparatuur en diagnostische beeldvormingsapparaten.

Het biedt dienstverleners voordeel met gereedschapsvrije productie die helpt assemblagekosten te verlagen. De oplossingen beschikken over flexibele ontwerp‑ en functionele integratie‑eigenschappen. Bovendien versnelt de 3D-printtechnologie van EOS de ontwikkelingscycli en verkort de time‑to‑market periode.

Transworld Systems verwierf EOS voor een niet‑gespecificeerd bedrag in december 2021, een privaat bedrijf met hoofdkantoor in Wilmington, Delaware, Verenigde Staten.

3. GE Additive 

GE Additive helpt bij het toepassen van additieve fabricage in de medische wetenschappen met productgebaseerde oplossingen en 3D‑printmachines. Het EBM‑proces voor acetabulaire cups vervangt traditionele coatings door driedimensionale rasterstructuren, waardoor de initiële fixatie verbetert en snellere fusie en botgroei mogelijk wordt.

De rasterstructuren zijn ontworpen voor een klinisch geoptimaliseerde poriegrootte van 650 micron. GE Additive produceert ook gecertificeerde, high‑performance poeders voor de orthopedische industrie met hoge sfericiteit, lage porositeit, minimale satellietinhoud en een toonaangevende stroombaarheid en pakdichtheid.

GE levert ook additieve fabricagemachines. De Arcam EBM Q10 plus is geoptimaliseerd voor de seriële productie van orthopedische implantaten. De Concept Laser M2 Series 5 helpt consistentie te behouden en herhaalbare, hoogwaardige onderdelen op schaal te produceren. De Concept Laser Mlab-familie van instrumenten is geschikt voor de snelle en efficiënte productie van onderdelen met een hoge oppervlaktekwaliteit.

Voor Q3 2023 rapporteerde GE een omzet van US$17,3 miljard.

De Toekomst van Additieve Fabricage in Gezondheidsdiagnostiek

We hebben al onderzoekers van toonaangevende universiteiten wereldwijd gezien die werken aan innovaties in additieve fabricage. Deze innovaties zullen de gezondheidsdiagnostiek zeker toegankelijker, minder perifere en verbruiksintensieve, sneller en gemakkelijker inzetbaar maken. Naast de bedrijven die we al hebben genoemd, werken veel andere innovatieve ondernemingen aan het opschalen van 3D-printoplossingen in health‑tech en med‑tech.

Zo biedt het in België gevestigde 3D‑printbedrijf Materialise 3D‑printsoftware voor onderzoekers en chirurgen, gepersonaliseerde chirurgische gidsen en andere point‑of‑care hulpmiddelen. Het verkoopt ook op maat gemaakte orthopedische oplossingen, waaronder schouder-, acetabulaire heup- en craniomaxillofaciale implantaten.

Het in Minnesota gevestigde Stratasys biedt 3D‑printmogelijkheden voor chirurgische planningsmodellen, training en educatie van zorgprofessionals, prototyping van medische apparaten en tandheelkundige implantaten.

Een synergetische samenwerking tussen onderzoekers, wetenschappelijke instellingen, artsen, chirurgen en productiebedrijven zou helpen om additieve fabricage of 3D‑printen verder te benutten ten voordele van gezondheidsdiagnostiek.

Klik hier voor de lijst van de top tien additieve fabricage- en 3D‑print aandelen om in de gaten te houden.