Tendances et innovations dans l'impression 3D biomédicale
Nous sommes au beau lieu d'une révolution de l'impression 3D. Autrefois réservée aux grandes universités de recherche et aux entreprises multinationales, la technologie d'impression 3D s'est beaucoup démocratisée, puisque 2,2 millions d'imprimantes 3D ont été commercialisées en 2021. Ce nombre devrait augmenter pour atteindre 21,5 millions d'ici à 2030 ; cette technologie de prototypage rapide deviendra alors accessible à tous.
Tous les grands secteurs d'activité, de l'aérospatiale au bâtiment, utilisent la technologie d'impression 3D qui permet une fabrication rapide et économique. De tous les secteurs qui ont adopté la puissance de l'impression 3D, c'est l'ingénierie biomédicale qui offre le plus fort potentiel à ses applications. Dans cet article, nous examinerons l'essor de l'impression 3D dans le secteur de la santé et de la médecine.
Comment tout a commencé : l'histoire de l'impression 3D
Lorsque l'inventeur japonais Hideo Kodama déposa le premier brevet pour un « dispositif de prototypage rapide » en 1981, ce concept semblait condamné dès le début, car le Dr Kodama a rapidement abandonné le financement de son brevet dès l'année suivante. Pourtant, cette idée est devenue un catalyseur pour d'autres innovations. En 1984, Charles Hall dépose un brevet pour un système de stéréolithographie (SLA), une technologie d'impression 3D largement utilisée aujourd'hui encore. La première imprimante 3D commerciale suit en 1988, basée sur la technologie révolutionnaire de la SLA.
D'autres technologies d'impression 3D essentielles suivent rapidement. À la fin des années 1980, des brevets avaient été déposés pour deux autres types d'appareils de fabrication additive : la modélisation par dépôt en fusion (FDM) et le frittage laser sélectif (SLS). Le FDM utilise une technique appelée extrusion, où une buse dépose le matériau chauffé couche par couche pour construire le produit en 3D. Le SLS fonctionne un peu différemment ; ce procédé consiste à étaler des couches de matériau à base de poudre sur la plateforme de construction, avant une solidification rapide (ou « frittage ») pour chaque couche de produit imprimé en 3D. Par la suite, les technologies de « projection » (une version modifiée de la technologie d'impression à jet d'encre en 2D) et de photopolymérisation en cuve arrivent rapidement.
Ces technologies étaient initialement réservées aux titulaires de brevets. Toutefois, depuis l'expiration de ces brevets et l'invention du concept en source ouverte de RepRap, de nouvelles entreprises peuvent désormais se faire un nom dans ce secteur d'activité fascinant. Bon nombre des avancées majeures ont été réalisées dans le domaine de la biomédecine, y compris le développement du premier organe imprimé en 3D destiné à la chirurgie de transplantation : une vessie.
Aujourd'hui, l'impression 3D pour les applications biomédicales est en plein essor. La taille du marché mondial de l'impression biomédicale en 3D a été estimée à 1,45 milliard de dollars en 2021 et devrait passer à environ 6,21 milliards d'ici 2030. Pour découvrir les tendances majeures de l'impression biomédicale en 3D, nous avons analysé les données de CAS Collection de contenus™, la plus importante collection de connaissances scientifiques publiées et organisées par l'homme.
Technologies et matériaux utilisés dans l'impression 3D
L'impression 3D se divise en quatre grandes catégories : fusion sur lit de poudre, projection, extrusion et photopolymérisation. Compte tenu de la grande diversité d'applications, il n'existe pas un « modèle unique » d'impression 3D. Les technologies à base d'extrusion comme le FDM restent cependant les types les plus populaires d'impression 3D biomédicale (figure 1).
Des plastiques aux métaux en passant par les substances naturelles, on peut utiliser un large éventail de matériaux dans l'impression 3D biomédicale. Les polymères synthétiques comme la polycaprolactone et l'acide poly(lactique) font partie des matériaux les plus fréquemment utilisés dans l'impression 3D (figure 2), en raison de leurs applications en microfluidique et dans les implants médicaux. La substance inorganique la plus largement utilisée est l'hydroxylapatite, employée dans les matériaux dentaires et comme mastic pour la réparation osseuse. Un certain nombre de polymères naturels, comme l'alginate et l'acide hyaluronique, deviennent de plus en plus populaires dans la bio-impression.
La montée de l'impression biomédicale en 3D
Les tendances annuelles de publication dans les revues et brevets au sujet des applications biomédicales de l'impression en 3D indiquent que l'innovation dans ce domaine est en plein essor, même si le nombre de publications dans les revues était nettement plus élevé (environ 15 000) que celui des publications de brevets (environ 5 700) (figure 3). Cette tendance pourrait refléter la hausse de la commercialisation de cette technologie au cours des dernières années.
Environ 90 pays ont publié des articles sur les applications de l'impression biomédicale en 3D, ce qui suggère un intérêt très répandu pour cette technologie. Parmi ces pays, les États-Unis et la Chine sont en tête avec le plus grand nombre de publications d'articles et de brevets (figures 4 et 5).
Lorsqu'on examine de près la tendance de l'impression en 3D biomédicale en termes de cessionnaires de brevets, on peut constater que la plupart des brevets ont été accordés à 3M, une entreprise américaine. Les autres pays actifs dans ce domaine comprennent la Corée, le Liechtenstein, la France et la Chine (figure 6).
Les applications innovantes de l'impression en 3D biomédicale
Nous avons déjà souligné certaines applications clés de l'impression en 3D biomédicale, mais les possibilités sont infinies. Du développement d'implants médicaux à la fabrication d'équipements médicaux, les innovations se multiplient. L'ingénierie des tissus et des organes est une application majeure de l'impression 3D : on étudie notamment la fabrication de structures complexes telles que les cartilages, les muscles et la peau. L'analyse de CAS Collection de contenus indique que les concepts tels que l'ingénierie des tissus, l'échafaudage tissulaire et la bio-impression, apparaissent fréquemment dans les publications sur l'impression en 3D biomédicale liée aux tissus et aux organes, ce qui souligne qu'il s'agit d'un domaine clé de la recherche (figure 7).
La technologie d'impression 3D possède aussi plusieurs applications potentielles dans les produits pharmaceutiques en favorisant la réalisation du rêve d'une médecine personnalisée, jusqu'alors inaccessible. L'utilisation de l'impression biomédicale en 3D pourrait permettre de modifier et d'affiner le dosage, la forme, la taille et les caractéristiques de libération des produits pharmaceutiques.
La technologie d'impression biomédicale en 3D a également ouvert de nouvelles possibilités en matière de création de prothèses et d'implants, permettant de créer des prothèses personnalisées en fonction de l'anatomie, de la couleur de peau, de la morphologie et de la taille du patient. Les matériaux souples ont apporté davantage d'options pour les différentes parties du corps et leurs capacités, tandis que les métaux tels que l'alliage de titane peuvent être utilisés dans la reconstruction osseuse. L'analyse de CAS Collection de contenus indique que les concepts tels que les « implants prothétiques », les matériaux « prothétiques » et les « implants dentaires » apparaissent fréquemment dans les publications consacrées à l'impression 3D dans le domaine de l'orthopédie et de la prothétique (figure 8). Même si ces publications sont nettement moins nombreuses que celles qui portent sur les tissus et les organes, il s'agit d'un domaine dynamique et en croissance rapide.
Les défis de l'impression en 3D biomédicale
Même si nous avons assisté à de nombreux progrès fascinants dans le domaine de l'impression en 3D biomédicale, dans bien des domaines, la technologie n'en est encore qu'à ses balbutiements. Par exemple, des chercheurs ont réussi à bio-imprimer des patches cardiaques vascularisés, mais la fabrication d'une valve cardiaque robuste (à plus forte raison d'un organe entier) est encore loin d'être une réalité. Actuellement, les imprimantes 3D ne sont pas en mesure de fabriquer des tissus présentant la biomécanique et les fonctionnalités des tissus réels. Les progrès des encres biologiques et de l'utilisation des supports et des cellules souches contribueront très probablement à l'optimisation future de ces méthodes.
L'avenir de l'impression en 3D biomédicale
Si l'on se fie aux tendances actuelles de la recherche, on peut s'attendre à voir se poursuivre les investissements et les innovations majeurs dans l'impression en 3D biomédicale. Nous prévoyons que cette technologie deviendra de plus en plus répandue, le concept des imprimantes 3D utilisé dans des pharmacies apparaissant désormais comme une possibilité réelle. Même si l'impression en 3D biomédicale représente un investissement financier majeur pour les hôpitaux, les avantages l'emportent nettement sur les coûts lorsqu'on utilise une planification adéquate. À mesure que la technologie évolue, il existera un besoin de terminologie standardisée et la Food and Drug Administration américaine devra définir un nouveau cadre réglementaire qui garantira la sécurité et l'efficacité des produits d'impression en 3D biomédicale.
Pour en savoir plus, téléchargez notre rapport Insight.
