Tendências e inovações em impressão 3D em biomedicina
Estamos no meio de uma revolução da impressão 3D. Antes disponível apenas para as principais universidades de pesquisa e empresas listadas na Fortune 500, a tecnologia de impressão 3D tem se tornado cada vez mais popular, com 2,2 milhões de unidades de impressoras 3D comercializadas em 2021. Esse número deve aumentar para 21,5 milhões até 2030, o que tornará a tecnologia de prototipagem rápida disponível para todos.
Aparentemente, as principais indústrias, do setor aeroespacial à construção, tiram proveito da tecnologia de impressão 3D para uma fabricação rápida e econômica. De todas as indústrias que adotaram o poder da impressão 3D, a engenharia biomédica detém o maior potencial para suas aplicações. Nesse artigo, vamos explorar a ascensão da impressão 3D nas áreas da saúde e biomedicina.
Como tudo começou: a história da impressão 3D
Quando o inventor japonês Hideo Kodama registrou a primeira patente para 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 seria o catalisador para inovações posteriores. Em 1984, Charles Hall registrou a patente de um sistema de estereolitografia (SLA), uma tecnologia de impressão 3D amplamente utilizada até hoje. A primeira impressora 3D disponível comercialmente surgiu em 1988, com base na inovadora tecnologia SLA.
Logo viriam outras tecnologias importantes de impressão 3D. No final da década de 1980, foram registradas patentes para dois outros tipos de dispositivos de manufatura aditiva: modelagem por deposição fundida (FDM) e sinterização seletiva a laser (SLS). A FDM funciona por meio de uma técnica chamada extrusão, na qual um bocal deposita o material aquecido, camada por camada, para formar o produto 3D. A SLS funciona de maneira um pouco diferente. O processo envolve espalhar camadas de material à base de pó sobre a plataforma de construção, seguida pela solidificação rápida (ou "sinterização") para cada camada do produto impresso em 3D. Posteriormente, logo surgiriam o “jateamento” (uma versão modificada da tecnologia de impressão a jato de tinta 2D) e a fotopolimerização em cuba.
Essas tecnologias estavam originalmente limitadas aos detentores de patentes. No entanto, com a expiração dessas patentes e a invenção do conceito de código aberto RepRap, novas empresas podem agora se estabelecer neste estimulante campo. Muitos dos maiores avanços ocorreram no campo da biomedicina, dentre eles o desenvolvimento do primeiro órgão impresso em 3D para cirurgia de transplante de uma bexiga.
Hoje, a impressão 3D para aplicações biomédicas está em franca expansão. O tamanho do mercado global de impressão 3D em biomedicina era estimado em US$ 1,45 bilhão em 2021 e deve aumentar para aproximadamente US$ 6,21 bilhões até 2030. Para descobrir as principais tendências na impressão 3D em biomedicina, analisamos dados do CAS Content Collection™, a maior coleção com curadoria humana de conhecimento científico publicado.
Tendências e materiais da impressão 3D em biomedicina
A impressão 3D se enquadra em quatro grandes categorias – fusão em leito de pó, jateamento, extrusão e fotopolimerização. Devido à diversidade de aplicações, não existe uma tecnologia de impressão 3D que sirva para todos os usos. Tecnologias baseadas em extrusão, como FDM, no entanto, continuam sendo os tipos mais populares de impressão 3D em biomedicina (Figura 1).
De plásticos e metais a substâncias naturais, uma gama imensa de materiais pode ser utilizada na impressão 3D em biomedicina. 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 utilizada é a hidroxiapatita, que é utilizada como material dentário e como material de preenchimento para reparação óssea. Uma variedade de polímeros naturais, como alginato e ácido hialurônico, estão se tornando populares na bioimpressão.
A ascensão da impressão 3D em biomedicina
As tendências anuais de publicações em revistas e patentes para aplicações de impressão 3D em biomedicina indicam que a inovação nesta área está em franca expansão, embora o número de publicações em revistas tenha sido consideravelmente maior (por volta de 15.000) que as publicações de patentes (por volta de 5.700) (Figura 3). Essa tendência pode refletir o aumento da comercialização dessa tecnologia nos últimos anos.
Cerca de 90 países publicaram artigos sobre aplicações de impressão 3D em biomedicina, sugerindo um amplo interesse nessa tecnologia. Dessas nações, os Estados Unidos e a China lideram a corrida, com o maior número de publicações para revistas e publicações de patentes (Figuras 4 e 5).
Quando detalhamos a tendência da impressão 3D em biomedicina por cessionários de patentes, podemos ver que a maioria das patentes foi atribuída à 3M, uma empresa com sede nos Estados Unidos. Dentre outros países ativos na publicação de patentes estão Coréia, Liechtenstein, França e China (Figura 6).
Aplicações inovadoras em impressão 3D em biomedicina
Já destacamos algumas das principais aplicações de impressão 3D em biomedicina, mas as possibilidades são ilimitadas. Desde o desenvolvimento de implantes médicos até a fabricação de equipamentos médicos, as inovações não param de chegar. A engenharia de tecidos e órgãos é uma aplicação importante da impressão 3D, com a fabricação de estruturas complexas, como cartilagens, músculos e peles sendo explorados. Análises do CAS Content Collection mostram que conceitos como “engenharia de tecidos”, “andaimes de tecidos” e “bioimpressão” aparecem com frequência em publicações de impressão 3D em biomedicina relacionadas a tecidos e órgãos, evidenciando que esta é uma área-chave de foco de pesquisa (Figura 7).
A tecnologia de impressão 3D também tem várias aplicações em potencial para produtos farmacêuticos, que ajudarão a tornar realidade o incerto objetivo da medicina personalizada. O uso da impressão 3D em biomedicina pode tornar possível modificar e ajustar a dosagem, a forma, o tamanho e as características de liberação dos produtos farmacêuticos.
A tecnologia de impressão 3D em biomedicina também abriu novos recursos na criação de próteses e implantes, com o potencial de criar próteses personalizadas para a anatomia, cor, forma e tamanho do paciente. Materiais flexíveis forneceram mais opções com partes e recursos do corpo, ao passo que metais como liga de titânio podem ser utilizados na reconstrução óssea. Análises do CAS Content Collection mostram que conceitos como “implantes protéticos”, “materiais protéticos” e “implantes dentários” são mencionados com frequência em publicações de impressão 3D relacionadas a ortopedia e prótese (Figura 8). Embora haja consideravelmente menos publicações em comparação com tecidos e órgãos, este também é um campo dinâmico e em rápido crescimento.
Desafios da impressão 3D em biomedicina
Embora tenhamos visto muitos avanços interessantes na impressão 3D biomédica, em muitas áreas, a tecnologia ainda está nos estágios iniciais. Por exemplo, pesquisadores fizeram a bioimpressão com sucesso de patches cardíacos vascularizados, mas a fabricação de uma válvula cardíaca robusta (sem falar em um órgão em tamanho real) ainda está longe de se tornar realidade. Atualmente, as impressoras 3D simplesmente não são capazes de fabricar tecidos com a biomecânica e a funcionalidade do objeto real. Avanços em biotintas e o uso de mídia e células-tronco provavelmente contribuirão para a otimização futura desses métodos.
O futuro da impressão 3D em biomedicina
Se as tendências de pesquisa atuais servirem de referência, podemos esperar investimentos e inovações significativos e contínuos na impressão 3D em biomedicina. Prevemos que a tecnologia se tornará mais difundida, sendo que o conceito de impressoras 3D usadas em farmácias se tornará uma possibilidade em breve. Embora a impressão 3D em biomedicina represente um investimento financeiro significativo para os hospitais, com o planejamento correto os benefícios podem superar em muito os custos. À medida que a tecnologia crescia, nasceu a necessidade de uma terminologia padronizada de a Food and Drug Administration (FDA) definir uma nova estrutura regulatória que garanta a segurança e a eficácia dos produtos de impressão 3D em biomedicina.
Para saber mais, baixe nosso Relatório de insights.
