Tendências e inovações na impressão 3D biomédica
Estamos no meio de uma revolução da impressão 3D. Antes disponível apenas para grandes universidades de pesquisa e empresas da Fortune 500, a tecnologia de impressão 3D tornou-se cada vez mais comum, com 2,2 milhões de unidades de impressoras 3D enviadas em 2021 . Esse número deve subir para 21,5 milhões até 2030, levando essa tecnologia de prototipagem rápida para as massas.
Aparentemente, todas as grandes indústrias, da aeroespacial à construção, aproveitam a tecnologia de impressão 3D para uma fabricação rápida e econômica. De todas as indústrias que adotam o poder da impressão 3D, a engenharia biomédica detém o maior potencial para suas aplicações. Neste artigo, exploraremos a ascensão da impressão 3D na saúde e na medicina.
Como tudo começou — a história da impressão 3D
Quando o inventor japonês Hideo Kodama registrou a primeira patente de um “ dispositivo de prototipagem rápida ” em 1981, o conceito parecia condenado desde o início, já que o Dr. Kodama rapidamente abandonou o financiamento da patente no ano seguinte. No entanto, a ideia serviu de catalisador para outras inovações. Em 1984, Charles Hall registrou uma patente para um sistema de estereolitografia (SLA), uma tecnologia de impressão 3D amplamente utilizada até hoje. A primeira impressora 3D disponível comercialmente surgiu em 1988, baseada na inovadora tecnologia SLA.
Outras tecnologias importantes de impressão 3D surgiram logo depois. No final da década de 1980, patentes haviam sido registradas para outros dois tipos de dispositivos de manufatura aditiva: modelagem por fusão e deposição (FDM) e sinterização seletiva a laser (SLS). A FDM funciona por meio de uma técnica chamada extrusão, onde um bico deposita o material aquecido camada por camada para construir o produto 3D. A SLS funciona de forma um pouco diferente; o processo envolve espalhar camadas de material em pó sobre a plataforma de construção, seguido pela solidificação rápida (ou "sinterização") de cada camada do produto impresso em 3D. Posteriormente, a "jato" (uma versão modificada da tecnologia de impressão a jato de tinta 2D) e a fotopolimerização em cuba surgiram logo em seguida.
Essas tecnologias eram originalmente limitadas aos detentores de patentes. No entanto, com a expiração dessas patentes e a invenção do conceito de código aberto RepRap , novas empresas agora podem se destacar neste campo empolgante. Muitos dos maiores avanços ocorreram no campo da biomedicina, incluindo o desenvolvimento do primeiro órgão impresso em 3D para cirurgia de transplante — uma bexiga.
Hoje, a impressão 3D para aplicações biomédicas está em expansão. O tamanho do mercado global de impressão 3D biomédica foi estimado em US$ 1,45 bilhão em 2021 e espera-se que suba para aproximadamente US$ 6,21 bilhões até 2030. Para descobrir as principais tendências na impressão 3D biomédica, analisamos dados da CAS Content Collection™, a maior coleção de conhecimento científico publicado com curadoria humana.
Tecnologias e materiais na impressão 3D
A impressão 3D divide-se em quatro categorias amplas: fusão em leito de pó, jato, extrusão e fotopolimerização. Devido à ampla gama de aplicações, não existe uma tecnologia de impressão 3D "tamanho único". Tecnologias baseadas em extrusão, como a FDM, no entanto, continuam sendo os tipos mais populares de impressão 3D biomédica (Figura 1).
De plásticos e metais a substâncias naturais, uma vasta gama de materiais pode ser utilizada na impressão 3D biomédica. Polímeros sintéticos como policaprolactona e poli(ácido lático) estão entre os materiais de impressão 3D mais comumente usados (Figura 2), devido às suas aplicações em microfluídica e implantes médicos . A substância inorgânica mais amplamente utilizada é a hidroxiapatita, que é usada como material odontológico e preenchimento para reparo ósseo. Uma variedade de polímeros naturais, como alginato e ácido hialurônico, está ganhando popularidade na bioimpressão.
A ascensão da impressão 3D biomédica
As tendências anuais de publicações de periódicos e patentes para aplicações de impressão 3D biomédica indicam que a inovação nesta área está em plena expansão, embora o número de publicações em periódicos tenha sido drasticamente maior (aproximadamente 15.000) do que o de patentes (aproximadamente 5.700) (Figura 3). Esta tendência pode refletir a crescente comercialização da tecnologia nos últimos anos.
Aproximadamente 90 países publicaram artigos sobre aplicações de impressão 3D biomédica, sugerindo um interesse generalizado nesta tecnologia. Dentre essas nações, os EUA e a China lideram, com o maior número de publicações tanto em periódicos quanto em patentes (Figuras 4 e 5).
Ao analisar a tendência da impressão 3D biomédica por cessionários de patentes, observamos que a maioria das patentes foi atribuída à 3M, uma empresa sediada nos EUA. Outros países ativos na publicação de patentes incluem Coreia, Liechtenstein, França e China (Figura 6).
Aplicações inovadoras da impressão 3D biomédica
Já destacamos algumas aplicações importantes da impressão 3D biomédica, mas as possibilidades são ilimitadas. Do desenvolvimento de implantes médicos à fabricação de equipamentos médicos, as inovações surgem rapidamente. A engenharia de tecidos e órgãos é uma aplicação importante da impressão 3D, com a fabricação de estruturas complexas como cartilagem, músculo e pele sendo exploradas. A análise da CAS Content Collection mostra que conceitos como "engenharia de tecidos", "andaimes teciduais" e "bioimpressão" aparecem frequentemente em publicações de impressão 3D biomédica relacionadas a tecidos e órgãos, destacando que esta é uma área central de pesquisa (Figura 7).
A tecnologia de impressão 3D também possui diversas aplicações potenciais na área farmacêutica para ajudar a tornar realidade o objetivo da medicina personalizada. Usando a impressão 3D biomédica, pode ser possível modificar e ajustar a dosagem, forma, tamanho e características de liberação de produtos farmacêuticos.
A tecnologia de impressão 3D biomédica também abriu novas capacidades na criação de próteses e implantes, com o potencial de criar próteses personalizadas de acordo com a anatomia, cor, forma e tamanho do paciente. Materiais flexíveis proporcionaram mais opções para partes do corpo e funcionalidades, enquanto metais como a liga de titânio podem ser utilizados na reconstrução óssea . A análise da CAS Content Collection mostra que conceitos como "implantes protéticos", "materiais protéticos" e "implantes dentários" aparecem frequentemente em publicações de impressão 3D relacionadas à ortopedia e próteses (Figura 8). Embora existam significativamente menos publicações em comparação com tecidos e órgãos, este ainda é um campo dinâmico e em rápido crescimento.
Desafios na impressão 3D biomédica
Embora tenhamos visto muitos avanços empolgantes na impressão 3D biomédica, em muitas áreas, a tecnologia ainda está em estágios iniciais. Por exemplo, pesquisadores já bioimprimiram adesivos cardíacos vascularizados, mas fabricar uma válvula cardíaca robusta (muito menos um órgão em escala real) ainda está longe de ser uma realidade. Atualmente, as impressoras 3D simplesmente não conseguem fabricar tecidos com a biomecânica e a funcionalidade dos reais. Avanços em bio-tintas e o uso de meios de cultura e células-tronco provavelmente contribuirão para a futura otimização desses métodos.
O futuro da impressão 3D biomédica
Se as tendências atuais de pesquisa servirem de base, podemos esperar investimentos e inovações contínuos e significativos na impressão 3D biomédica. Prevemos que a tecnologia se tornará mais difundida, com o conceito de impressoras 3D sendo usadas em farmácias tornando-se uma possibilidade próxima. Embora a impressão 3D biomédica represente um investimento financeiro significativo para hospitais, os benefícios podem superar em muito os custos com o planejamento adequado. À medida que a tecnologia cresce, há necessidade de terminologia padronizada e de que a Food and Drug Administration defina uma nova estrutura regulatória que garanta a segurança e a eficácia dos produtos de impressão 3D biomédica.
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