Kan additiv tillverkning förbättra diagnostisk teknik inom sjukvården?

Additiv tillverkning, med sina mångsidiga tillämpningar i flera industrier, sträcker sig från att skapa bränslemunstycken för flygmotorn till att reparera brännarkammare för gasturbiner. Den är känd för sin hållbarhet, lätta egenskaper, möjligheter till geometrisk optimering och minskad reparationstid, samt andra konkurrensfördelar.

Inom sjukvården har den etablerat en betydande närvaro. Noterbart är att historien om additiv tillverkning, eller 3D-utskrift, har varit sammanflätad med medicinska vetenskaper i många decennier.

Men innan vi fördjupar oss i potentialen för additiv tillverkning inom diagnostisk teknik för sjukvården, låt oss först ha en kort översikt över additiv tillverkning. Vi kommer att utforska dess definition och förstå dess kritiska roll i utvecklingen av medicinska vetenskaper.

Additiv tillverkning och dess historia inom medicinska vetenskaper

ASTM Society, tidigare känd som American Society for Testing and Materials, definierar additiv tillverkning som “en process för att förena material för att skapa objekt från 3D-modelldata, vanligtvis lager för lager, i motsats till subtraktiva tillverkningsmetoder”.

Det medicinska området har utnyttjat 3D-utskrift sedan slutet av 1990-talet och början av 2000-talet. Det har hjälpt till att producera tandimplantat och skräddarsydda proteser. Dessa var produkter som krävde patientanpassad skräddarsyddhet och som inte kunde produceras i stora volymer. 3D-utskrift hjälpte till att uppfylla dessa kriterier.

3D-utskrift har också hjälpt ortopedin genom att låta ortopedkirurger skapa en struktur som specifikt matchade och efterliknade en patients fysiologiska egenskaper. Tidigare hade sådana patienter inga andra alternativ än att nöja sig med ‘en storlek passar alla’ implantat. Från implantat och proteser tog 3D-utskrift nästa steg mot organiska mimetiska enheter.

I början av 2000-talet utnyttjade forskarteamet vid Boston Children’s Hospital ‘scaffolding’, en byggmetod som underlättade handbyggandet av ersättningsblåsan från kollagen och syntetisk polymer. Metoden var dock tidskrävande och svår att reproducera. Den var också en dyr metod för organbyggnad. Till slut kom additiv tillverkning in i bilden för att hjälpa till att lösa detta problem.

Forskare vid Wake Forest Institute for Regenerative Medicine utvecklade så småningom maskiner som kunde skriva ut organ och vävnader konsekvent för kliniska prövningar. Efter detta framsteg tog en annan grupp brasilianska forskare processen ett steg längre genom att framgångsrikt bioprinta organoider. Dessa organoider kunde utföra alla funktioner hos den mänskliga levern, inklusive proteinsyntes, lagring av vitaminer och utsöndring av galla. Dessa miniatyrlever var dock ännu inte livskraftiga som transplanterade ersättningar för faktiska mänskliga levern.

Vid den här tidpunkten, medan additiv tillverkning eller 3D-utskrift fortsatte att hitta värde inom tillämpad medicinsk vetenskap, var dess tillämpning fortfarande huvudsakligen begränsad till kliniska prövningar och laboratoriebaserade tester.

Naturligt nog kom det forskare och läkare att utnyttja additiv tillverkning för att förbättra diagnostisk teknik inom sjukvården, som har en betydande marknadsstorlek globalt.

Klicka här för listan över de bästa 3D-bioprintningsaktierna.

Den globala marknaden för diagnostisk teknik inom sjukvården

Marknaden för diagnostisk teknik inom sjukvården har varit i expansionsläge. Denna tillväxt understryks av nylig forskning och en undersökning utförd av Deloitte, som visar en betydande ökning av antalet amerikanska sjukvårdskonsumenter som använder diagnostisk teknik för olika ändamål från 2018 till 2022.

Specifikt ökade andelen konsumenter som använder wearables, appar, digitala assistenter och smarta enheter för att mäta tränings- och hälsaförbättringsmål från 42 % år 2018 till 49 % år 2022. Dessutom steg andelen personer som använder dessa teknologier för att övervaka hälsoproblem, från 27 % år 2018 till 34 % år 2022.

Inte bara har antalet adoptioner ökat kraftigt, utan diagnostisk teknik inom sjukvården har också sett en betydligt förbättrad nöjdhetsnivå bland konsumenterna. Bland dem som använder dessa enheter erkände 78 % en positiv inverkan på sitt beteende. Sammantaget uttryckte 85 % av konsumenterna en trygghet i att använda diagnostiska tester för att bedöma sin hälsa och sina hälsorisker.

Konsekvensen av förbättrade kundnöjdhetsnivåer har positivt påverkat investerare och branschens intresse för diagnostisk teknik inom sjukvården. Under första halvan av 2021 injicerade investerare nästan 15 miljarder US$ i 372 digitala sjukvårdsaffärer, en betydande ökning jämfört med för ett decennium sedan, då antalet var under 100 affärer och endast 1,1 miljarder US$ i investeringar.

I linje med detta positiva branschintresse för diagnostisk teknik inom sjukvården har delsegmentet för tillämpningar av additiv tillverkning också sett betydande framsteg. Ett tydligt exempel är utvecklingen av platsbaserade 3D-utskrivna tester av forskare vid McGill University.

Lab-on-a-Chip: Ett 3D-utskrivet genombrott inom diagnostisk teknik för sjukvården

Forskare vid McGill University har uppfunnit en ‘lab-on-a-chip’-diagnostisk teknik som kan vara banbrytande. Chipet kan tillverkas genom 3D-utskrift på 30 minuter.

Professor David Juncker, ordförande för avdelningen för biomedicinsk teknik vid McGill och seniorförfattare till studien, sade att tekniken skulle hjälpa “individer, forskare och industrier att utforska nya möjligheter och tillämpningar på ett mer kostnadseffektivt och användarvänligt sätt.”

Innovationen i sin tillämpade form kan hjälpa till att skala upp och påskynda diagnostiska tester genom att utrusta sjukvårdspersonal med möjligheten att “skapa skräddarsydda lösningar för specifika behov direkt vid vårdpunkten.”

Hur fungerar Lab-on-a-Chip?

Forskarnas utvecklade kapillärchip med potential att fungera som miniaturlaboratorier. Till skillnad från datormikroprocessorer är dessa kapillärchip engångsbruk och fungerar utan extern strömkälla. Processen underlättas av en enkel pappersremsa som utnyttjar kapillärverkan, likt hur pappershanddukar absorberar vätskespill på ett köksbord.

I denna metod krävs inga kringutrustningar, till skillnad från traditionell diagnostik. Kapillärchippen som används i denna metod är 3D-utskrivbara och kan användas för en rad tester, inklusive kvantifiering av COVID-19-antikroppar.

3D-utskrift för kostnadseffektiva metoder för sjukdomsdetektion

Forskare vid MIT har utvecklat en annan additiv tillverknings- eller 3D-utskriftsdriven lösning för att skapa billiga och exakta verktyg för sjukdomsdetektion. Forskarnas i detta fall utnyttjar 3D-utskrift för att producera självuppvärmande mikrofluidiska enheter.

Mikrofluidik avser användning av miniatyrenheter som kan manipulera vätskor och underlätta kemiska reaktioner. Teknologin ses som en potentiell spelväxlare eftersom den kan upptäcka sjukdomar i mycket små blod- eller vätskeprover.

Mikrofluidik används redan inom diagnostik. De kräver dock ofta en komplicerad och dyr tillverkningsprocess, vilket är svårt att skala upp.

MIT-teamets lösning använder multi-material 3D-utskrift för att skapa självuppvärmande mikrofluidiska enheter. Dessa enheter har inbyggda värmeelement.

Processen kräver en enda och billig tillverkningsprocess. Teknologin är mycket anpassningsbar och den låga kostnaden för tillverkning kräver endast omkring 2 US$ i material för att skapa en färdig användbar mikrofluidik.

Med fortsatt forskning pågående inom detta område har många företag beslutat att ta additiv tillverkning bortom laboratoriernas räckvidd och göra den användbar för storskalig användning. Vi kommer nu att titta på några av dessa företag och deras lösningar.

1. Allevi

Allevi, ett företag känt för sina bioprintningslösningar inom 3D-vävnadsingenjörskonst, organ‑på‑chip‑forskning, läkemedelstestning, biomaterialutveckling och regenerativ medicin, påstår att de betjänar hundratals laboratorier världen över. Utöver detta erbjuder de också ett omfattande sortiment av additiva tillverkningsprodukter, vilket förbättrar området för sjukvård och diagnostik. Deras produktutbud inkluderar bioprintningsprogramvara, biobläck, tillsatser, celler, reagenser och förbrukningsmaterial.

Speciellt producerar Allevi några av de mest teknologiskt avancerade bioprinterna. Dess Allevi 3‑bioprinter är specifikt designade och optimerade för forskning inom olika områden såsom vävnadsingenjörskonst, materialvetenskap, regenerativ medicin, sjukdomsmodellering, 3D‑kultur, mikro‑fysiologiska system, läkemedelsleverans och mer. Dessutom erbjuder företaget tjänster som skräddarsydda bioprintningar för olika projekt, inklusive cellfria scaffold, organ‑på‑chip, vaskulära utskrifter och multi‑material‑utskrifter.

Allevi är nu en del av 3D Systems Corporation (DDD ) (NYSE:DDD). År 2022 rapporterade en årsintäkt på $538 031 000, vilket innebär en minskning med 12,6 % jämfört med 2021 års intäkt på $615 639 000. Dessutom registrerade de en nettokostnad på $122 711 000, vilket motsvarar en utspädd förlust per aktie på $0.96 och en utspädd icke‑GAAP-förlust per aktie på $0.23 för år 2022.

2. EOS

EOS erbjuder ett brett sortiment av 3D-utskriftslösningar för medicinsk teknik, som tillgodoser både skräddarsydda och optimerade produktionsparadigm. Företagets industriella 3D-utskriftslösningar för ortoser och proteser gör det möjligt för tillverkare att följa strikta kvalitets- och certifieringsriktlinjer samtidigt som de behåller individuell designfrihet och kostnadshantering.

Inom tandteknik hjälper EOS:s 3D-utskriftslösningar laboratorier och tjänsteleverantörer att leverera konsekvent högkvalitativa produkter. Dessutom är EOS 3D-utskriftsteknik skicklig på att skapa en mångfald av ytkonstruktioner. Denna förmåga är särskilt fördelaktig för processer som osseointegration, vilket underlättar integrationen mellan levande benvävnad och ytan på benimplantat. EOS:s 3D-utskriftsteknik spelar också en avgörande roll i optimeringen av komponenter för laboratorieutrustning och diagnostisk bildutrustning.

Det gynnar tjänsteleverantörer med verktygsfri produktion som hjälper till att minska monteringskostnaderna. Lösningarna har flexibla design- och funktionsintegrationsegenskaper. Dessutom påskyndar EOS 3D-utskriftsteknik utvecklingscyklerna och minskar tiden till marknaden.

Transworld Systems förvärvade EOS för ett icke avslöjat belopp i december 2021, vilket är ett privatägt företag med huvudkontor i Wilmington, Delaware, USA.

3. GE Additive 

GE Additive hjälper till att tillämpa additiv tillverkning inom medicinska vetenskaper med produktbaserade lösningar och 3D-utskriftsmaskiner. Dess EBM‑process för acetabulära koppar ersätter traditionella beläggningar med tredimensionella gitterstrukturer, vilket förbättrar initial fixering och möjliggör snabbare fusion och beninväxt.

Dess gitterstrukturer är designade för en kliniskt optimerad porstorlek på 650 mikron. GE Additive skapar också certifierade högpresterande pulver för ortopedindustrin med hög sfäriskhet, låg porositet, minimal satellitandel och bästa möjliga flödesegenskaper samt packningsdensitet.

GE levererar även maskiner för additiv tillverkning. Dess Arcam EBM Q10 plus är optimerad för serieproduktion av ortopediska implantat. Dess Concept Laser M2 Series 5 hjälper till att upprätthålla konsistens och producera repeterbara, högkvalitativa delar i skala. Dess Concept Laser Mlab‑familj av instrument är lämplig för snabb och effektiv produktion av delar med hög ytkvalitet.

För Q3 2023 rapporterade GE en omsättning på US$17,3 miljarder.

Framtiden för additiv tillverkning inom diagnostik för sjukvården

Vi har redan sett forskare från de främsta universiteten världen över arbeta med innovationer inom additiv tillverkning. Dessa innovationer kommer definitivt att göra diagnostik inom sjukvården mer tillgänglig, mindre perifär och förbrukningsintensiv, snabbare och enklare att implementera. Förutom de företag vi redan nämnt ovan arbetar många andra innovativa företag med att skala upp 3D-utskriftslösningar inom hälsoteknik och medicinteknik.

Till exempel erbjuder det belgiska 3D-utskriftsföretaget Materialise 3D-utskriftsprogramvara för forskare och kirurger, personliga kirurgiska guider och andra verktyg för vårdpunkten. De säljer också anpassningsbara ortopediska lösningar, inklusive axel-, acetabulär höft- och kranio-maxillofacialimplantat.

Stratasys erbjuder 3D-utskriftsmöjligheter för kirurgiska planeringsmodeller, utbildning och träning av sjukvårdspersonal, prototypframtagning av medicintekniska produkter och tandimplantat.

Ett synergistiskt samarbete mellan forskare, vetenskapliga institutioner, läkare, kirurger och tillverkningsföretag skulle hjälpa till att utnyttja additiv tillverkning eller 3D-utskrift ytterligare till fördel för diagnostik inom sjukvården.

Klicka här för listan över de tio bästa aktierna inom additiv tillverkning och 3D-utskrift att hålla utkik efter.