A Fabricação Aditiva Pode Melhorar a Tecnologia de Diagnóstico em Saúde?

A fabricação aditiva, com suas diversas aplicações em múltiplas indústrias, vai desde a criação de bicos de combustível para motores de aeronaves até o reparo de cabeças de queimadores para turbinas a gás. É reconhecida por sua durabilidade, características leves, capacidades de otimização geométrica e tempo de reparo reduzido, entre outras vantagens competitivas.

Na área da saúde, ela estabeleceu uma presença substancial. Notavelmente, a história da fabricação aditiva, ou impressão 3D, tem sido entrelaçada com as ciências médicas por muitas décadas.

Mas antes de aprofundarmos o potencial da fabricação aditiva na tecnologia de diagnóstico em saúde, vamos primeiro ter uma visão geral da fabricação aditiva. Exploraremos sua definição e entenderemos seu papel crítico na evolução das ciências médicas.

Fabricação Aditiva e Sua História nas Ciências Médicas

A ASTM Society, anteriormente conhecida como American Society for Testing and Materials, define fabricação aditiva como “um processo de união de materiais para criar objetos a partir de dados de modelo 3D, geralmente camada sobre camada, ao contrário das metodologias de fabricação subtrativa”

O campo das ciências médicas tem utilizado a impressão 3D desde o final dos anos 1990 e início dos anos 2000. Ela ajudou a produzir implantes dentários e próteses personalizadas. Esses eram produtos que exigiam personalização específica para cada paciente e não podiam ser produzidos em grandes volumes. A impressão 3D ajudou a atender esses critérios.

A impressão 3D também ajudou o campo da ortopedia ao permitir que cirurgiões ortopédicos criassem uma estrutura que correspondia e imitava especificamente as características fisiológicas de um paciente. Anteriormente, esses pacientes não tinham outra opção senão aceitar implantes “tamanho único”. Dos implantes e próteses, o próximo passo que a impressão 3D deu foi direcionado a dispositivos orgânicos miméticos.

No início dos anos 2000, a equipe de pesquisadores do Boston Children's Hospital utilizou o 'scaffolding', um método de construção que facilitava a montagem manual de bexigas de substituição a partir de colágeno e polímero sintético. No entanto, esse método era demorado e não facilmente reproduzível. Também era uma abordagem cara para a construção de órgãos. Mas, finalmente, a fabricação aditiva surgiu para ajudar a resolver esse problema.

Pesquisadores do Wake Forest Institute for Regenerative Medicine desenvolveram, eventualmente, máquinas capazes de imprimir consistentemente órgãos e tecidos para ensaios clínicos. Após esse avanço, outro grupo de pesquisadores brasileiros avançou ainda mais ao imprimir com sucesso organoides. Esses organoides foram capazes de executar todas as funções do fígado humano, incluindo a produção de proteínas, o armazenamento de vitaminas e a secreção de bile. No entanto, esses fígados em miniatura ainda não eram viáveis como substitutos transplantados para fígados humanos reais.

Neste ponto, embora a fabricação aditiva ou impressão 3D continuasse a encontrar valor no campo das ciências médicas aplicadas, sua aplicação permanecia majoritariamente limitada a ensaios clínicos e testes laboratoriais.

Naturalmente, os pesquisadores e médicos envolvidos pensaram em aproveitar a fabricação aditiva para melhorar a tecnologia de diagnóstico em saúde, que possui um tamanho de mercado significativo em todo o mundo.

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O Mercado Global da Tecnologia de Diagnóstico em Saúde

O mercado de tecnologia de diagnóstico em saúde tem estado em modo de expansão. Esse crescimento é destacado por recentes pesquisas e uma pesquisa realizadas pela Deloitte, revelando um aumento significativo no número de consumidores de saúde dos EUA que utilizam tecnologia de diagnóstico para uma variedade de propósitos de 2018 a 2022.

Especificamente, a porcentagem de consumidores que utilizam wearables, aplicativos, assistentes digitais e dispositivos inteligentes para medir metas de condicionamento físico e melhoria da saúde saltou de 42% em 2018 para 49% em 2022. Além disso, a proporção de pessoas que usam essas tecnologias para monitorar questões de saúde também aumentou, passando de 27% em 2018 para 34% em 2022.

Não apenas os números de adoção aumentaram, mas a Tecnologia de Diagnóstico em Saúde também viu níveis de satisfação significativamente melhorados entre os consumidores. Entre os usuários desses dispositivos, 78% reconheceram um impacto positivo em seu comportamento. No geral, 85% dos consumidores expressaram conforto ao usar testes diagnósticos para avaliar sua saúde e riscos de saúde.

A consequência dos níveis aprimorados de satisfação do cliente influenciou positivamente o interesse de investidores e da indústria na tecnologia de diagnóstico em saúde. No primeiro semestre de 2021, investidores injetaram quase US$15 bilhões em 372 acordos de saúde digital, um aumento substancial comparado a uma década atrás, quando os números eram limitados a menos de 100 acordos e apenas US$1,1 bilhão em investimentos.

Ecoando esse interesse positivo da indústria na tecnologia de diagnóstico em saúde, o subsegmento de aplicações de fabricação aditiva também viu avanços notáveis. Um exemplo principal disso é o desenvolvimento de testes impressos em 3D no local por pesquisadores da Universidade McGill.

Lab-on-a-Chip: Uma Inovação Impressa em 3D na Tecnologia de Diagnóstico em Saúde

Pesquisadores da Universidade McGill inventaram uma tecnologia de diagnóstico ‘lab on a chip’ que pode ser revolucionária. O chip pode ser fabricado por impressão 3D em até 30 minutos.

Professor David Juncker, presidente do Departamento de Engenharia Biomédica da McGill e autor sênior do estudo, disse que a tecnologia ajudaria “indivíduos, pesquisadores e indústrias a explorar novas possibilidades e aplicações de forma mais econômica e amigável ao usuário”.

A inovação em sua forma aplicada pode ajudar a ampliar e acelerar os testes diagnósticos, equipando profissionais de saúde com o alcance e a capacidade de “criar soluções personalizadas para necessidades específicas diretamente no ponto de atendimento”.

Como o Lab-on-a-Chip Funciona?

Os pesquisadores desenvolveram chips capilares com potencial para funcionar como laboratórios em miniatura. Ao contrário dos microprocessadores de computador, esses chips capilares são de uso único e operam sem fonte de energia externa. O processo é facilitado por uma simples tira de papel que utiliza ação capilar, semelhante à forma como toalhas de papel absorvem derramamentos de líquido em uma mesa de cozinha.

Neste método, periféricos não são necessários, como ocorre nos diagnósticos tradicionais. Os chips capilares usados neste método são imprimíveis em 3D e podem ser utilizados para uma variedade de testes, incluindo a quantificação de anticorpos da COVID-19.

Impressão 3D para Métodos de Detecção de Doenças com Custo-Efetivo

Pesquisadores do MIT desenvolveram outra solução de fabricação aditiva ou solução impulsionada por impressão 3D para criar ferramentas de detecção de doenças baratas e precisas. Os pesquisadores, neste caso, utilizam a impressão 3D para produzir dispositivos microfluídicos auto-aquecidos.

Microfluídica refere-se ao uso de máquinas em miniatura que podem manipular fluidos e facilitar reações químicas. A tecnologia é vista como um potencial divisor de águas, pois pode detectar doenças em pequenas amostras de sangue ou fluidos.

A microfluídica já está em uso no campo do diagnóstico. No entanto, frequentemente requer um processo de fabricação complicado e caro, o que dificulta a escalabilidade.

A solução da equipe do MIT utiliza impressão 3D multimaterial para criar dispositivos microfluídicos auto-aquecidos. Esses dispositivos vêm com elementos de aquecimento incorporados.

O processo requer uma única e barata etapa de fabricação. E a tecnologia é altamente personalizável, com o processo de fabricação de baixo custo exigindo apenas cerca de US$2 em materiais para produzir um microfluídico prontamente utilizável.

Com a pesquisa contínua neste campo, muitas empresas decidiram levar a fabricação aditiva além do âmbito dos laboratórios e torná-la utilizável em larga escala. Agora veremos algumas dessas empresas e suas soluções.

1. Allevi

Allevi, uma empresa conhecida por suas soluções de bioprinting em engenharia de tecidos 3D, pesquisa organ-on-chip, testes de medicamentos, desenvolvimento de biomateriais e medicina regenerativa, afirma atender a centenas de laboratórios em todo o mundo. Além disso, oferece uma gama abrangente de produtos de fabricação aditiva, aprimorando o campo da saúde e diagnóstico. Seu conjunto de produtos inclui software de bioprinting, bioinks, aditivos, células, reagentes e consumíveis.

Notavelmente, a Allevi produz alguns dos bioprintadores mais avançados tecnologicamente. Seus bioprintadores Allevi 3 são especificamente projetados e otimizados para pesquisas em áreas diversas, como engenharia de tecidos, ciência dos materiais, medicina regenerativa, modelagem de doenças, cultura 3D, sistemas microfisiológicos, entrega de fármacos e mais. Além disso, a empresa oferece serviços como bioprintagens personalizadas para vários projetos, incluindo scaffolds sem células, organ-on-a-chip, impressões vasculares e impressões multimateriais.

Allevi agora faz parte da 3D Systems Corporation (DDD ) (NYSE:DDD). Em 2022, a empresa relatou receita anual de $538.031.000, marcando uma queda de 12,6% em relação à receita de 2021 de $615.639.000. Além disso, registrou um prejuízo líquido de $122.711.000, o que equivale a um prejuízo diluído por ação de $0,96 e um prejuízo não-GAAP diluído por ação de $0,23 para o ano de 2022.

2. EOS

A EOS oferece uma ampla gama de soluções de impressão 3D para tecnologia médica, atendendo tanto a paradigmas de produção personalizados quanto otimizados. As soluções industriais de impressão 3D da empresa para órteses e próteses permitem que os fabricantes cumpram diretrizes rigorosas de qualidade e certificação, ao mesmo tempo em que mantêm liberdade de design individual e controlam custos.

No campo da tecnologia dentária, as soluções de impressão 3D da EOS auxiliam laboratórios e prestadores de serviços a entregar produtos consistentemente de alta qualidade. Além disso, a tecnologia de impressão 3D da EOS é habilidosa na criação de uma variedade diversificada de estruturas de superfície. Essa capacidade é particularmente benéfica para processos como a osseointegração, facilitando a integração entre o tecido ósseo vivo e a superfície de implantes ósseos. A tecnologia de impressão 3D da EOS também desempenha um papel crucial na otimização de componentes para equipamentos de laboratório e aparelhos de imagem diagnóstica.

Beneficia os prestadores de serviços com produção sem ferramentas, ajudando a reduzir custos de montagem. As soluções apresentam propriedades de design flexível e integração funcional. Além disso, a tecnologia de impressão 3D da EOS também acelera os ciclos de desenvolvimento e reduz o período de tempo de lançamento ao mercado.

Transworld Systems adquiriu a EOS for an undisclosed amount in dezembro de 2021, which is a privately-held company headquartered out of Wilmington, Delaware, United States.

3. GE Additive 

A GE Additive ajuda a aplicar a fabricação aditiva no campo das ciências médicas com soluções baseadas em produtos e máquinas de impressão 3D. Seu processo EBM para copos acetabulares substitui revestimentos tradicionais por estruturas de treliça tridimensionais, melhorando a fixação inicial e permitindo fusão mais rápida e crescimento ósseo.

Suas estruturas de treliça são projetadas para um tamanho de poro clinicamente otimizado de 650 micrômetros. A GE também produz pós certificados de alto desempenho para a indústria ortopédica, com alta esfericidade, baixa porosidade, conteúdo mínimo de satélites e fluidez e densidade de empacotamento de classe mundial.

A GE também fornece máquinas de fabricação aditiva. Seu Arcam EBM Q10 plus é otimizado para a produção em série de implantes ortopédicos. Sua série Concept Laser M2 Series 5 ajuda a manter a consistência e produzir peças repetíveis e de alta qualidade em escala. A família de instrumentos Concept Laser Mlab é adequada para a produção rápida e eficiente de peças com alta qualidade de superfície.

Para o terceiro trimestre de 2023, a GE relatou uma receita de US$17,3 bilhões.

O Futuro da Fabricação Aditiva em Diagnósticos de Saúde

Já vimos pesquisadores das principais universidades ao redor do mundo trabalhando em inovações de fabricação aditiva. Essas inovações certamente tornarão os diagnósticos de saúde mais acessíveis, menos periféricos e intensivos em consumíveis, rápidos e fáceis de implantar. Além das empresas já mencionadas acima, muitas outras empresas inovadoras estão trabalhando para ampliar as soluções de impressão 3D em tecnologia de saúde e med-tech.

Por exemplo, a empresa belga de impressão 3D Materialise oferece software de impressão 3D para pesquisadores e cirurgiões, guias cirúrgicos personalizados e outras ferramentas point-of-care. Também vende soluções ortopédicas personalizáveis, incluindo implantes de ombro, quadril acetabular e cranio-maxilofaciais.

A empresa de Minnesota Stratasys oferece capacidades de impressão 3D para modelos de planejamento cirúrgico, treinamento e educação de profissionais de saúde, prototipagem de dispositivos médicos e implantes dentários.

Uma colaboração sinérgica entre pesquisadores, instituições científicas, médicos, cirurgiões e empresas de manufatura ajudaria a aproveitar ainda mais a fabricação aditiva ou impressão 3D em benefício dos diagnósticos de saúde.

Clique aqui para a lista das dez principais ações de fabricação aditiva e impressão 3D a observar.