Additive Fertigung
Kann additive Fertigung die Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen verbessern?
Die additive Fertigung, mit ihren vielfältigen Anwendungen in zahlreichen Branchen, reicht von der Herstellung von Kraftstoffdüsen für Flugzeugtriebwerke bis zur Reparatur von Brennerköpfen für Gasturbinen. Sie ist bekannt für ihre Langlebigkeit, ihr geringes Gewicht, die Möglichkeit zur geometrischen Optimierung und verkürzte Reparaturzeiten sowie weitere Wettbewerbsvorteile.
Im Gesundheitswesen hat sie bereits eine bedeutende Präsenz aufgebaut. Besonders bemerkenswert ist, dass die Geschichte der additiven Fertigung, oder des 3D‑Drucks, seit vielen Jahrzehnten eng mit den medizinischen Wissenschaften verknüpft ist.
Bevor wir tiefer in das Potenzial der additiven Fertigung in der Diagnostiktechnologie des Gesundheitswesens eintauchen, geben wir zunächst einen kurzen Überblick über die additive Fertigung. Wir werden ihre Definition untersuchen und ihre entscheidende Rolle in der Entwicklung der medizinischen Wissenschaften verstehen.
Additive Fertigung und ihre Geschichte in den medizinischen Wissenschaften
Die ASTM Society, früher bekannt als American Society for Testing and Materials, definiert additive Fertigung als „einen Prozess, bei dem Materialien zusammengefügt werden, um aus 3D‑Modelldaten Objekte zu erzeugen, in der Regel Schicht für Schicht, im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren“.
Die medizinischen Wissenschaften nutzen 3D‑Druck bereits seit den späten 1990er‑ und frühen 2000er‑Jahren. Er ermöglichte die Herstellung von Zahnimplantaten und individuellen Prothesen. Diese Produkte erforderten patientenspezifische Anpassungen und konnten nicht in großen Stückzahlen produziert werden. 3D‑Druck erfüllte diese Anforderungen.
3D‑Druck unterstützte zudem die Orthopädie, indem er orthopädischen Chirurgen ermöglichte, Strukturen zu erstellen, die exakt den physiologischen Merkmalen eines Patienten entsprachen und diese nachahmten. Früher hatten solche Patienten keine andere Wahl, als sich mit „Einheits‑Implantaten“ zufriedenzugeben. Nach Implantaten und Prothesen richtete sich der nächste Schritt des 3D‑Drucks auf organische, nachahmende Geräte.
Anfang der 2000er‑Jahre nutzte das Forscherteam des Boston Children’s Hospital das Konzept des „Scaffoldings“, ein Konstruktionsverfahren, das das manuelle Erzeugen von Ersatzblasen aus Kollagen und synthetischem Polymer ermöglichte. Dieses Verfahren war jedoch zeitaufwendig, schwer reproduzierbar und kostspielig für den Organaufbau. Schließlich trat die additive Fertigung auf den Plan, um dieses Problem zu lösen.
Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine entwickelten schließlich Maschinen, die in der Lage waren, Organe und Gewebe für klinische Studien konsistent zu drucken. Nach diesem Fortschritt brachte ein weiteres Team brasilianischer Forscher die Entwicklung voran, indem sie erfolgreich Organoide bioprinteten. Diese Organoide konnten alle Funktionen einer menschlichen Leber ausführen, einschließlich Proteinproduktion, Vitaminlagerung und Gallenflüssigkeitsekretion. Dennoch waren diese Miniaturlebern noch nicht als transplantierbare Ersatzorgane für echte menschliche Lebern einsetzbar.
Zu diesem Zeitpunkt fand die additive Fertigung bzw. der 3D‑Druck zwar weiterhin Anwendung in den angewandten medizinischen Wissenschaften, blieb jedoch größtenteils auf klinische Studien und laborgestützte Tests beschränkt.
Natürlich dachten die beteiligten Forscher und Ärzte daran, die additive Fertigung zur Verbesserung der Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen zu nutzen, die weltweit ein bedeutendes Marktvolumen aufweist.
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Der globale Markt für Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen
Der Markt für Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen befindet sich im Expansionsmodus. Dieses Wachstum wird durch aktuelle Forschung und eine von Deloitte durchgeführte Umfrage untermauert, die einen deutlichen Anstieg der Zahl von US‑Gesundheitsverbrauchern zeigt, die von 2018 bis 2022 Diagnostiktechnologie für verschiedene Zwecke nutzen.
Konkret stieg der Anteil der Verbraucher, die Wearables, Apps, digitale Assistenten und Smart‑Devices zur Messung von Fitness‑ und Gesundheitszielen einsetzen, von 42 % im Jahr 2018 auf 49 % im Jahr 2022. Zusätzlich erhöhte sich der Prozentsatz der Personen, die diese Technologien zur Überwachung von Gesundheitsproblemen nutzen, von 27 % im Jahr 2018 auf 34 % im Jahr 2022.
Nicht nur die Nutzungszahlen sind gestiegen, sondern die Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen verzeichnet auch deutlich höhere Zufriedenheitswerte bei den Verbrauchern. Unter den Nutzern dieser Geräte gaben 78 % an, dass sie ihr Verhalten positiv beeinflusst habe. Insgesamt fühlten sich 85 % der Verbraucher wohl dabei, diagnostische Tests zur Bewertung ihrer Gesundheit und Gesundheitsrisiken zu verwenden.
Die verbesserten Kundenzufriedenheitswerte haben das Interesse von Investoren und der Branche an der Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen positiv beeinflusst. Im ersten Halbjahr 2021 investierten Investoren fast 15 Milliarden US‑Dollar in 372 digitale Gesundheitsgeschäfte, ein deutlicher Anstieg im Vergleich zu einem Jahrzehnt zuvor, als es weniger als 100 Geschäfte und nur 1,1 Milliarden US‑Dollar an Investitionen gab.
Im Einklang mit diesem positiven Brancheninteresse an der Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen verzeichnete das Teilsegment der Anwendungen additiver Fertigung ebenfalls bemerkenswerte Fortschritte. Ein herausragendes Beispiel dafür ist die Entwicklung von sofort vor Ort 3D‑gedruckten Tests durch Forscher der McGill University.
Lab-on-a-Chip: Ein 3D‑gedruckter Durchbruch in der Diagnostiktechnologie im Gesundheitswesen
Forscher der McGill University haben eine „Lab‑on‑a‑Chip“-Diagnostiktechnologie erfunden, die das Potenzial hat, die Branche zu verändern. Der Chip kann innerhalb von 30 Minuten mittels 3D‑Druck hergestellt werden.
Prof. David Juncker, Lehrstuhlinhaber des Fachbereichs Biomedizinische Technik an der McGill und leitender Autor der Studie, erklärte, die Technologie würde „Einzelpersonen, Forschern und Unternehmen ermöglichen, neue Möglichkeiten und Anwendungen kostengünstiger und benutzerfreundlicher zu erkunden.“
Die Innovation in ihrer angewandten Form kann die Skalierung und Beschleunigung diagnostischer Tests unterstützen, indem sie Gesundheitsfachkräfte befähigt, „maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Bedürfnisse direkt am Ort der Versorgung zu erstellen.“
Wie funktioniert Lab-on-a-Chip?
Die Forscher entwickelten Kapillarchips, die das Potenzial haben, als Miniaturlabore zu fungieren. Im Gegensatz zu Computer‑Mikroprozessoren sind diese Kapillarchips Einwegprodukte und arbeiten ohne externe Stromquelle. Der Vorgang wird durch einen einfachen Papierstreifen ermöglicht, der kapillare Wirkung nutzt, ähnlich wie Papiertücher Flüssigkeitsspritzer auf einem Küchentisch aufsaugen.
Bei diesem Verfahren sind keine Peripheriegeräte nötig, wie es bei herkömmlichen Diagnostiken der Fall ist. Die in diesem Verfahren eingesetzten Kapillarchips sind 3D‑druckbar und können für verschiedene Tests verwendet werden, einschließlich der Quantifizierung von COVID‑19‑Antikörpern.
3D‑Druck für kosteneffiziente Methoden zur Krankheitsdetektion
Forscher des MIT haben eine weitere Lösung auf Basis additiver Fertigung bzw. 3D‑Druck entwickelt, um preiswerte und präzise Werkzeuge zur Krankheitsdetektion zu schaffen. In diesem Fall nutzen die Forscher 3D‑Druck, um selbstheizende mikrofluidische Geräte zu produzieren.
Mikrofluidik bezieht sich auf den Einsatz von Miniaturmaschinen, die Flüssigkeiten manipulieren und chemische Reaktionen ermöglichen. Die Technologie gilt als potenzieller Wendepunkt, da sie Krankheiten in winzigen Blut‑ oder Flüssigkeitsproben nachweisen kann.
Mikrofluidik wird bereits im Diagnostikbereich eingesetzt. Allerdings erfordern sie häufig einen komplizierten und kostspieligen Fertigungsprozess, der schwer zu skalieren ist.
Die Lösung des MIT‑Teams nutzt den Mehrmaterial‑3D‑Druck, um selbstheizende mikrofluidische Geräte zu erstellen. Diese Geräte verfügen über integrierte Heizelemente.
Der Prozess erfordert einen einzigen, kostengünstigen Fertigungsablauf. Die Technologie ist zudem stark anpassbar, wobei der preiswerte Fertigungsprozess nur etwa 2 US‑Dollar an Material benötigt, um ein sofort einsetzbares Mikrofluidik‑System zu erzeugen.
Mit fortlaufender Forschung in diesem Bereich haben viele Unternehmen beschlossen, die additive Fertigung über das Laborumfeld hinaus zu erweitern und für den großflächigen Einsatz nutzbar zu machen. Im Folgenden betrachten wir einige dieser Unternehmen und ihre Lösungen.
1. Allevi
Allevi, ein Unternehmen, das für seine Bioprinting‑Lösungen in der 3D‑Gewebe‑Engineering, Organ‑on‑Chip‑Forschung, Medikamententests, Biomaterialentwicklung und regenerativen Medizin bekannt ist, gibt an, Hunderte von Laboren weltweit zu bedienen. Darüber hinaus bietet es ein umfassendes Sortiment an Produkten für die additive Fertigung, das den Bereich Gesundheitswesen und Diagnostik verbessert. Das Produktspektrum umfasst Bioprinting‑Software, Bio‑Tinten, Zusatzstoffe, Zellen, Reagenzien und Verbrauchsmaterialien.
Bemerkenswert ist, dass Allevi einige der technologisch fortschrittlichsten Bioprinter herstellt. Die Allevi 3‑Bioprinter sind speziell für die Forschung in unterschiedlichen Bereichen wie Gewebe‑Engineering, Materialwissenschaften, regenerative Medizin, Krankheitsmodellierung, 3D‑Kultur, mikrophysiologische Systeme, Wirkstofffreisetzung und mehr konzipiert und optimiert. Zusätzlich bietet das Unternehmen Dienstleistungen wie kundenspezifische Bioprints für verschiedene Projekte, darunter zellfreie Gerüste, Organ‑on‑a‑Chip, Gefäßdrucke und Mehrmaterial‑Drucke.
(DDD )
Allevi ist inzwischen Teil der 3D Systems Corporation (NYSE:DDD). Im Jahr 2022 meldete das Unternehmen einen Jahresumsatz von 538.031.000 $, was einem Rückgang von 12,6 % gegenüber dem Umsatz von 615.639.000 $ im Jahr 2021 entspricht. Zusätzlich verzeichnete es einen Nettoverlust von 122.711.000 $, was einem verwässerten Verlust pro Aktie von 0,96 $ und einem verwässerten nicht‑GAAP‑Verlust pro Aktie von 0,23 $ für das Jahr 2022 entspricht.
2. EOS
EOS bietet ein breites Spektrum an 3D‑Drucklösungen für die Medizintechnik und bedient sowohl kundenspezifische als auch optimierte Produktionsparadigmen. Die industriellen 3D‑Drucklösungen des Unternehmens für Orthesen und Prothesen ermöglichen es Herstellern, strenge Qualitäts‑ und Zertifizierungsrichtlinien einzuhalten, während sie individuelle Gestaltungsfreiheit bewahren und Kosten steuern.
Im Bereich der Zahntechnik unterstützen die 3D‑Drucklösungen von EOS Labore und Dienstleister dabei, durchgehend hochwertige Produkte zu liefern. Darüber hinaus ist die 3D‑Drucktechnologie von EOS in der Lage, ein breites Spektrum an Oberflächenstrukturen zu erzeugen. Diese Fähigkeit ist insbesondere für Prozesse wie die Osseointegration von Vorteil, da sie die Verbindung zwischen lebendem Knochengewebe und der Oberfläche von Knochenimplantaten erleichtert. Die 3D‑Drucktechnologie von EOS spielt zudem eine entscheidende Rolle bei der Optimierung von Komponenten für Laborausrüstung und diagnostische Bildgebungsgeräte.
Sie kommt Dienstleistern zugute, indem sie eine werkzeugfreie Produktion ermöglicht, die Montagekosten senkt. Die Lösungen bieten flexible Design‑ und Funktionsintegrationsmöglichkeiten. Darüber hinaus beschleunigt die 3D‑Drucktechnologie von EOS die Entwicklungszyklen und verkürzt die Markteinführungszeit.
Transworld Systems erwarb EOS für einen nicht offengelegten Betrag im Dezember 2021, ein privat geführtes Unternehmen mit Sitz in Wilmington, Delaware, USA.
3. GE Additive
GE Additive unterstützt die Anwendung der additiven Fertigung im Bereich der medizinischen Wissenschaften mit produktbasierten Lösungen und 3D‑Druckmaschinen. Sein EBM‑Verfahren für acetabuläre Hüftpfannen ersetzt herkömmliche Beschichtungen durch dreidimensionale Gitterstrukturen, verbessert die anfängliche Fixierung und ermöglicht schnellere Fusion und Knocheneinwuchs.
Die Gitterstrukturen sind für eine klinisch optimierte Porengröße von 650 µm ausgelegt. GE Additive stellt zudem zertifizierte Hochleistungspulver für die orthopädische Industrie her, die eine hohe Kugelform, geringe Porosität, minimalen Satellitengehalt sowie erstklassige Fließfähigkeit und Packungsdichte aufweisen.
GE liefert zudem additive Fertigungsmaschinen. Das Arcam EBM Q10 plus ist für die Serienproduktion orthopädischer Implantate optimiert. Die Concept Laser M2 Series 5 unterstützt die Konsistenz und die Herstellung wiederholbarer, hochwertiger Teile im großen Maßstab. Die Concept Laser Mlab‑Familie ist für die schnelle und effiziente Produktion von Teilen mit hoher Oberflächenqualität geeignet.
(GE )
Für das dritte Quartal 2023 meldete GE einen Umsatz von 17,3 Milliarden US‑Dollar.
Die Zukunft der additiven Fertigung in der Diagnostik im Gesundheitswesen
Wir haben bereits Forscher von führenden Universitäten weltweit gesehen, die an Innovationen der additiven Fertigung arbeiten. Diese Innovationen werden die Diagnostik im Gesundheitswesen definitiv zugänglicher, weniger peripher und verbrauchsmaterialintensiv, schneller und einfacher einsetzbar machen. Neben den bereits genannten Unternehmen arbeiten viele weitere innovative Unternehmen daran, 3D‑Druck‑Lösungen im Gesundheits‑ und Med‑Tech‑Bereich zu skalieren.
Beispielsweise bietet das in Belgien ansässige 3D‑Druckunternehmen Materialise 3D‑Druck‑Software für Forscher und Chirurgen, personalisierte chirurgische Leitfäden und weitere Point‑of‑Care‑Werkzeuge an. Zudem verkauft es anpassbare orthopädische Lösungen, darunter Schulter‑, acetabuläre Hüft‑ und kranio‑maxillofaziale Implantate.
Das in Minnesota ansässige Unternehmen Stratasys bietet 3D‑Druck‑Möglichkeiten für Operationsplanungs‑Modelle, Schulungen und Weiterbildung von Gesundheitsfachkräften, Prototypen von Medizinprodukten und Zahnimplantate.
Eine synergistische Zusammenarbeit zwischen Forschern, wissenschaftlichen Institutionen, Ärzten, Chirurgen und Fertigungsunternehmen würde dazu beitragen, die additive Fertigung bzw. den 3D‑Druck weiter zum Nutzen der Diagnostik im Gesundheitswesen zu nutzen.
