李 昕 宋曉亭*
(同濟(jì)大學(xué)上海國際知識(shí)產(chǎn)權(quán)學(xué)院,上海200092)
生物增材制造(也稱為3D生物打?。┦抢锰刂频纳铩按蛴C(jī)”加工細(xì)胞、生長因子、生物相容性材料等活性材料,以修復(fù)、替代、重建人體病損組織或器官為目標(biāo)的跨學(xué)科新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。2010年8月,歐盟發(fā)布《歐盟2020:創(chuàng)新、可持續(xù)和包容性發(fā)展戰(zhàn)略》(Europe 2020:a Strategy for Smart,Sustainable and Inclusive Growth),認(rèn)為3D生物打印會(huì)在未來給人類生活帶來巨大的變革[1]。2016年4月,美國陸軍發(fā)布《新興科技趨勢:2016—2045未來前沿科技概述》(Emerging Science and Technology Trends:2016—2045 A Synthesis of Leading Forecasts),將生物增材制造列為未來重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[2]。此外,2015年3月,中國工信部、發(fā)改委和財(cái)政部共同發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015—2016年)》;2015年 5月,國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》,明確提出要實(shí)現(xiàn)生物增材制造等新技術(shù)的突破和應(yīng)用;2016年11月29日,國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》,明確要促進(jìn)高端裝備與新材料產(chǎn)業(yè)突破發(fā)展,引領(lǐng)中國制造新跨越,其中的關(guān)鍵步驟就是“利用增材制造等新技術(shù),加快組織器官修復(fù)和替代材料及植介入醫(yī)療器械產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化”[3]??梢?,中國已經(jīng)將生物增材制造作為產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略技術(shù),如何知己知彼搶占技術(shù)高地,增強(qiáng)中國在國際市場的競爭力,以及制定符合中國國情的生物增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略顯得尤為重要。若要產(chǎn)業(yè)得以快速并正向發(fā)展,首先須得掌握生物增材制造方面的技術(shù)狀況,探索并洞悉技術(shù)發(fā)展歷程中的動(dòng)態(tài)趨勢,在此基礎(chǔ)上提煉能夠服務(wù)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展與政策制定的技術(shù)情報(bào)。
選用Derwent Innovations Index專利數(shù)據(jù)庫,制定檢索式:3D bioprint*OR three dimensions bioprint*OR bio*print*OR bioprint*OR biological rapid prototyp*OR biological rapid prototyp*OR bio*additive manufactur*OR bio*digital fabrication OR bio*digital manufactur*。數(shù)據(jù)檢索時(shí)間:2018年5月23日。人工剔除檢索結(jié)果中的非相關(guān)雜質(zhì),得到1020項(xiàng)專利族??紤]到專利申請公開的滯后性和各國對實(shí)用新型專利的制度不同,為保證分析結(jié)果的客觀性,將2016年以后數(shù)據(jù)和實(shí)用新型專利數(shù)據(jù)予以排除,最終將903項(xiàng)專利族、3057件專利數(shù)據(jù)作為分析對象。
數(shù)據(jù)顯示,全球生物增材制造技術(shù)的專利申請量呈逐步增多趨勢,并呈現(xiàn)出兩個(gè)發(fā)展階段(圖1)。第一個(gè)為緩慢發(fā)展階段(1984—1997),專利申請總量非常少,平均每年全球申請不超過10件,申請人主要集中在美國及英國(最早是美國Bristol-Myers Squibb公司在1984年提出的申請),沒有形成比較明顯的專利族。第二個(gè)為波動(dòng)發(fā)展階段(1998—2015),其中有四次較為明顯的波動(dòng) (1998—2002、2002—2006、2006—2010、2010—2015),分別在 2000、2005、2007、2013達(dá)到四個(gè)申請量峰值,并以2007年為最高。
將各年專利發(fā)明人數(shù)與專利家族數(shù)在坐標(biāo)中定位后得到圖2,1998年以前為技術(shù)起步期,1998年后技術(shù)發(fā)展進(jìn)入螺旋漸進(jìn)式,并持續(xù)至2011年。在螺旋發(fā)展期,專利技術(shù)經(jīng)歷了三次小規(guī)模的周期循環(huán),顯示技術(shù)發(fā)展的孕育和突破過程。在2011年以后,周期循環(huán)變大,表明技術(shù)發(fā)展步伐加大,技術(shù)的成熟度也較前期明顯。
圖1 全球生物增材制造專利申請數(shù)量變化(1984—2015)Fig.1 The number of patent applications for bioadditive manufacturing worldwide(1984-2015)
3057件專利申請的產(chǎn)出國共有38個(gè),主要來自北美、歐洲等地的發(fā)達(dá)國家,以及少數(shù)亞洲國家或地區(qū)(圖3a)。在構(gòu)成比例上,美國研發(fā)者的專利申請量占總量的近一半(47.46%),是生物增材制造技術(shù)的最大產(chǎn)出國;歐洲國家位居世界第二(20.61%),申請量大多排在全球前十位,其中以英國產(chǎn)出最多(占總量的7.49%);亞洲國家中以中國產(chǎn)出最多(5.54%),居全球第三位,韓國僅次于中國(2.21%)。
圖2 生物增材制造專利技術(shù)生命周期圖Fig.2 Life cycle of bio-additive manufacturing patent technology
圖3 全球生物增材制造專利產(chǎn)出與布局國家/地區(qū)構(gòu)成圖Fig.3 Global patent output and layout country/region composition of bio-additive manufacture
共有45個(gè)國家或地區(qū)的專利主管部門受理了生物增材制造專利申請,主要受理國/地區(qū)為美、歐、中、日、韓等(圖3b)。專利布局地構(gòu)成比例為:美國22.32%(574件)、歐洲12.91%(332件)、中國 11.70%(301件)、日本 8.83%(227件)、澳大利亞8.01%(206件)、加拿大5.75%(148件)及韓國4.70%(121件)。
對比圖3a與圖3b可知,各國/地區(qū)的專利產(chǎn)出與布局的數(shù)量并不一致,歐美國家專利產(chǎn)出比例高于專利布局比例,是主要的專利技術(shù)產(chǎn)出國,包括美國、以色列、英國、德國、瑞典、瑞士及法國。美國提出的專利申請占全球總量的47.46%,但申請美國專利卻只有22.32%;以色列申請的專利數(shù)量占全球的3.32%,但申請本國專利的卻低于2%;同樣歐盟國家的專利產(chǎn)出占全球的20.61%,但全球在歐盟的專利申請只占到17.81%,尤其是幾個(gè)專利數(shù)量較少的歐洲國家,其域外布局率為100%,表明這些國家布局海外市場的戰(zhàn)略意識(shí)較為明顯。另外一些國家則相反,其專利產(chǎn)出比例低于布局比例,包括澳大利亞、加拿大、日本、及韓國,是生物增材制造專利被布局國,吸引美歐等國大量的專利技術(shù)在此布局。在中國的301件專利申請中,有136件來自歐美等海外國家(占45.20%),說明中國既是專利技術(shù)的產(chǎn)出國,同時(shí)也是重要的技術(shù)布局地。
運(yùn)用能夠衡量專利潛在價(jià)值的一系列定性和定量指標(biāo),可以客觀地估算出不同國家或地區(qū)的技術(shù)創(chuàng)新能力[4]。本文所用指標(biāo)組合由專利家族數(shù)、專利申請總量、具有國外布局的同族專利數(shù)、專利國外申請總量、在歐美日三局的授權(quán)量5組專利指標(biāo)構(gòu)成,以便盡量做到綜合表征專利活動(dòng)的質(zhì)量與數(shù)量。其中,專利家族數(shù)及專利申請總量表征專利活動(dòng)的數(shù)量,二者的數(shù)量分別反映了各國的技術(shù)熱度以及對該技術(shù)領(lǐng)域?qū)@庾R(shí)的高低(專利數(shù)量累積帶來的積聚效應(yīng),很大程度能夠促進(jìn)較高質(zhì)量強(qiáng)度專利甚至核心專利的出現(xiàn));國外布局的同族專利數(shù)、國外申請總量及三局授權(quán)量表征專利活動(dòng)的質(zhì)量,共同反映了技術(shù)先進(jìn)性、國際市場應(yīng)用前景及競爭防御意識(shí)(基于專利保護(hù)的地域性,專利要獲得他國保護(hù)必須提出國際申請,而專利的國際申請費(fèi)時(shí)費(fèi)力,授權(quán)后的專利維持也需要一大筆支出,通常如果不是因?yàn)閷@哂袠O高的潛在價(jià)值,研發(fā)主體是不會(huì)考慮提出國際申請的,因此專利的國外申請數(shù)量與布局規(guī)模一定程度上代表著研發(fā)主體的專利質(zhì)量和創(chuàng)新能力)。
專利指標(biāo)組合包含了5組不同評價(jià)因素下統(tǒng)計(jì)得到的原始值,每一組原始值都不足以單獨(dú)代表38個(gè)國家/地區(qū)各自的技術(shù)創(chuàng)新能力,通過建立基于變異系數(shù)的賦權(quán)模型得到各組指標(biāo)的權(quán)重,可將不同量綱描述下的實(shí)際原始數(shù)值轉(zhuǎn)化成無量綱的評價(jià)值。具體過程為運(yùn)用式(1)分別計(jì)算5組指標(biāo)的變異系數(shù)Vi,再通過式(2)確定每組指標(biāo)的權(quán)重Wi。式中,σi、分別表示各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值。將表1中得到的5個(gè)指標(biāo)權(quán)重以及各國每組指標(biāo)的實(shí)際值代入式(3)計(jì)算各國的綜合評價(jià)值Score并進(jìn)行排序(表2)。
表1 五組組合指標(biāo)的賦權(quán)模型Tab.1 The weighting model of five groups of combined indicators
表2 生物增材制造技術(shù)創(chuàng)新能力綜合評價(jià)排名前二十的國家或地區(qū)Tab.2 Top 20 countries or regions of bio-additive manufacturing technology innovation ability comprehensive evaluation
根據(jù)表2可以看出:
1)美國是該領(lǐng)域創(chuàng)新能力最強(qiáng)的國家,在各方面表現(xiàn)都比較優(yōu)異,體現(xiàn)出較強(qiáng)的科研實(shí)力,引領(lǐng)全球生物增材制造技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展趨勢。
2)歐洲在該領(lǐng)域的創(chuàng)新能力總體位居第二,英、德、以色列、瑞士、瑞典、法等十二個(gè)國家技術(shù)實(shí)力較為平均。
3)亞洲是該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新能力的后發(fā)潛力地區(qū),雖然在該技術(shù)領(lǐng)域的專利起步較晚,但近年來發(fā)展迅猛,尤其是中國、韓國、日本、新加坡、印度、中國臺(tái)灣地區(qū)及菲律賓比較明顯,中國位列亞洲之首、全球第四。
技術(shù)機(jī)會(huì)分析(Technology Opportunities A-nalysis,TOA)是對某領(lǐng)域內(nèi)已有技術(shù)橫縱向的發(fā)展趨勢及相互關(guān)系進(jìn)行挖掘,并推斷該領(lǐng)域可能出現(xiàn)的技術(shù)形態(tài)或技術(shù)發(fā)展點(diǎn)[5]。利用Citespace 5.0對3057件專利文獻(xiàn)進(jìn)行文本挖掘[6],通過共詞分析發(fā)現(xiàn)最受重視的關(guān)鍵技術(shù)類別和組成,再通過聚類分析梳理出技術(shù)發(fā)展隨時(shí)間而演變的規(guī)律,總結(jié)出各時(shí)間段的技術(shù)熱點(diǎn),從而推測未來可能的技術(shù)機(jī)會(huì)。
利用Citespace將3057件專利數(shù)據(jù)中的Derwent手工代碼作為分析對象,將統(tǒng)計(jì)所得的數(shù)據(jù)放入技術(shù)類別共詞網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)技術(shù)類別,可得出全球生物增材制造領(lǐng)域?qū)@夹g(shù)類別共現(xiàn)圖譜(圖4)。節(jié)點(diǎn)中心度(Centrality)顯示的圓環(huán)越厚越能夠發(fā)揮橋梁作用,詞頻(Frequency)節(jié)點(diǎn)越大則表示關(guān)注熱度越高,關(guān)鍵技術(shù)的節(jié)點(diǎn)處在“承上啟下”的位置,其詞頻會(huì)顯示出較高的熱度。
圖4 生物增材制造領(lǐng)域?qū)@夹g(shù)類別共現(xiàn)圖譜Fig.4 Technological co-occurrence map of bio-additive manufacturing patent technology
由圖4分析梳理出的全球生物增材制造關(guān)鍵技術(shù),從學(xué)科及技術(shù)范圍角度大致可分為基礎(chǔ)型技術(shù)和應(yīng)用型技術(shù)兩類(表3)?;A(chǔ)型技術(shù)主要是生物醫(yī)藥類的通用技術(shù),如細(xì)胞培養(yǎng)及重組技術(shù)、生物工程技術(shù)、生物檢測類技術(shù);應(yīng)用型技術(shù)主要是在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)向組織工程及再生醫(yī)學(xué)技術(shù)的延展、融合與應(yīng)用,如假體、支架等新材料以及立體成型技術(shù)等。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,已有技術(shù)主要集中在基礎(chǔ)型,但也顯示出基礎(chǔ)型技術(shù)正在逐步完善,并有朝向應(yīng)用型分化演變的趨勢。
表3 生物增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)Tab.3 Key technologies in the field of bioadditive manufacturing
運(yùn)用Citespace軟件中“突現(xiàn)詞檢測”(burst detection)算法并進(jìn)行聚類分析(若在某一特定時(shí)段內(nèi)關(guān)鍵詞突現(xiàn)值越高,則該領(lǐng)域是特定時(shí)期內(nèi)技術(shù)研究的熱點(diǎn))。選擇時(shí)間區(qū)間為1984—2015年,按四年為一個(gè)時(shí)間段,提取每個(gè)時(shí)間段中排名前20位的數(shù)據(jù),形成九個(gè)聚類(0~8),得出1996—2015年的生物增材制造專利技術(shù)的關(guān)鍵詞聚類圖譜(圖5),顯示了每個(gè)聚類中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間分布和聚類間的相互演變及演變的發(fā)生時(shí)間。
從圖5可知,1996—2005年的節(jié)點(diǎn)分布較為密集,說明在此時(shí)間段內(nèi)技術(shù)研究涉及到生物增材制造的多個(gè)方面,尤其在生物分析物、生物相容性材料和生物相容性纖維等方面的技術(shù)研究比較集中。但是,2005年之后其聚類節(jié)點(diǎn)稀少,說明只有少數(shù)幾個(gè)技術(shù)類別仍然保持進(jìn)一步的高度研究活動(dòng),主要集中在分離裝置等技術(shù)領(lǐng)域。
圖5 生物增材制造技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.5 Keyword clustering map in the field of bio-additive manufacturing technology
表4 各時(shí)間段內(nèi)生物增材制造技術(shù)的研究主題與研究熱點(diǎn)Tab.4 Research topics and hotspots of bio-additive manufacturing technology in each time period
進(jìn)一步對同一時(shí)間段內(nèi)生物增材制造技術(shù)的聚類進(jìn)行細(xì)分,統(tǒng)計(jì)出各個(gè)聚類中突現(xiàn)值最高的節(jié)點(diǎn),得出各時(shí)間段的研究主題與潛在的研究熱點(diǎn)(表4)。結(jié)合圖5和表4的表征,我們可以發(fā)現(xiàn),未來生物增材制造技術(shù)中,發(fā)展空間較大的技術(shù)領(lǐng)域主要為聚類3(分離裝置:A11-B16立體成型和A09-D03成模過程的控制設(shè)備、安全裝置)、聚類2(實(shí)際容積:B11-C11計(jì)算方法及設(shè)備和D09-C01E組織工程支架)、聚類4(生物相容性材料:B05-A01B堿金屬、堿土金屬及其化合物和B05-A03B其他過渡金屬及化合物)、聚類5(間充質(zhì)干細(xì)胞:D05-H14重組細(xì)胞和B04-F01細(xì)胞、微生物、轉(zhuǎn)化株、寄主、細(xì)胞系、組織)。可以預(yù)測,這四類技術(shù)將決定未來生物增材制造技術(shù)的市場霸主地位,因而必定是各國研發(fā)機(jī)構(gòu)的必爭之地,也應(yīng)當(dāng)是中國積極搶占的技術(shù)機(jī)會(huì)。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,現(xiàn)有生物增材制造的基礎(chǔ)型專利主要為國外申請,多是在1997—2004年期間申請,如果按照專利有效期20年來計(jì)算,一些基礎(chǔ)型專利將在近幾年逐步到期。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,蛋白質(zhì)類基礎(chǔ)型專利(包括D05-H12A編碼序列和D05-H12E載體)截止2004年后沒有后續(xù)的研發(fā)活動(dòng),而在間充質(zhì)干細(xì)胞、限制性酶切、生物分析物等方面則不斷地有改良性技術(shù)出現(xiàn),且主要是國外研發(fā)機(jī)構(gòu)的申請。
中國在生物增材制造專利的技術(shù)分布多以應(yīng)用型技術(shù)為主(圖6),如假體、移植物以及具體的打印成型技術(shù)與設(shè)備開發(fā),而在制約生物增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)型技術(shù)領(lǐng)域,如細(xì)胞、組織培養(yǎng)、生化檢測等方面則天然處于弱勢。中國目前的技術(shù)發(fā)展策略應(yīng)是通過利用政策引導(dǎo),在充分吸收與改進(jìn)基礎(chǔ)型專利技術(shù)的基礎(chǔ)上,再去盡可能地在應(yīng)用型專利技術(shù)這一彎道上進(jìn)行超車,以便在取得生物增材制造技術(shù)新制高點(diǎn)的同時(shí)避免“緊跟潮流”表面現(xiàn)象;并有重點(diǎn)地在基礎(chǔ)型專利尤其是間充質(zhì)干細(xì)胞、限制性酶切、生物分析物和生物相容性材料等方面進(jìn)行深度挖掘和技術(shù)改進(jìn)研究,搶占應(yīng)用型專利技術(shù)的空檔期與空白點(diǎn),為未來中國生物增材制造產(chǎn)業(yè)的國際競爭力夯實(shí)基礎(chǔ)。
圖6 中國生物增材制造專利的技術(shù)分布Fig.6 Technical distribution of patents for bio-additive manufacturing of China
中國最早出現(xiàn)的生物增材制造專利技術(shù)是2002年天津大學(xué)申請的生物復(fù)合材料骨器件制造方法專利。到2010年以后,尤其是近幾年生物增材制造技術(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長態(tài)勢,截止2015年12月底共申請170件專利,5年內(nèi)專利申請的年平均增長率為162.1%,在短短5年間中國已成為全球排名第三的專利產(chǎn)出大國(圖7a)。
然而,中國研發(fā)者申請的170件專利中,有165件僅在本國提出申請,域外專利布局只有5件,占總量的2.94%(圖7a)。相反,歐美等國已較早重視包括中國在內(nèi)的海外市場專利布局,外國研發(fā)者向中國提出的專利申請占中國專利申請總量的45.2%,其中美國67件、歐洲國家43件、其他國家26件(圖7b)??梢姡m然中國生物增材制造專利技術(shù)的申請量在快速增長,但專利的海外布局卻嚴(yán)重不足,必將阻礙中國未來生物增材制造產(chǎn)品的海外市場發(fā)展。因此中國應(yīng)當(dāng)利用政策杠桿,引導(dǎo)本國專利權(quán)人加強(qiáng)對歐洲、北美、亞洲(日韓)市場的專利布局,在戰(zhàn)術(shù)上達(dá)到遏制國外競爭對手、搶占國外技術(shù)市場的目的。
圖7 中國生物增材制造專利產(chǎn)出趨勢與布局情況Fig.7 China's bio-additive manufacturing patent output trend and layout
生物增材制造技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是將各類活細(xì)胞與具有生物相容性、生物可降解性的非細(xì)胞材料共同應(yīng)用于增材制造,生產(chǎn)出能夠修復(fù)、替換人體組織或器官的再生醫(yī)療制品。為推動(dòng)生物增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,美國在2016年4月再次修訂《人類細(xì)胞、組織及與細(xì)胞組織有關(guān)的產(chǎn)品管理規(guī)定》,鼓勵(lì)細(xì)胞治療技術(shù)的發(fā)展[7]。歐洲與日本也制定了有關(guān)再生醫(yī)療的專門法律,如歐洲2007年11月頒布實(shí)行的《醫(yī)療先進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)療法法案》(Regulation(EC)No 1394/2007 on advanced therapy medicinal products and amending Directive 2001/83/EC and Regulation(EC)No 726/2004),為組織工程產(chǎn)品、體細(xì)胞治療產(chǎn)品和基因治療產(chǎn)品建立了生產(chǎn)、臨床試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及審批制度;日本2014年頒布實(shí)行《再生醫(yī)療安全法》并修改《藥事法》,為再生醫(yī)療技術(shù)與產(chǎn)品制定了適應(yīng)其技術(shù)發(fā)展需求、管控風(fēng)險(xiǎn)、加快市場化進(jìn)程的專門法律。
雖然中國有關(guān)部門在2015年陸續(xù)出臺(tái)了《關(guān)于印發(fā)干細(xì)胞制劑質(zhì)量控制及臨床前研究指導(dǎo)原則(試行)》、《干細(xì)胞臨床研究管理辦法(試行)》。但是,還不能滿足生物增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,對臨床應(yīng)用、不良反應(yīng)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、專利創(chuàng)造性的審查標(biāo)準(zhǔn)等還沒有具體規(guī)定,不利于促進(jìn)生物增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國應(yīng)當(dāng)在對比國內(nèi)外專利技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)研發(fā)企業(yè)的實(shí)際情況,借鑒歐美日等國的立法經(jīng)驗(yàn),盡快制定包括生物增材制造在內(nèi)的再生醫(yī)療專門法律規(guī)定。如在現(xiàn)行藥品管理法規(guī)下設(shè)立再生醫(yī)療產(chǎn)品類目,將再生醫(yī)療產(chǎn)品分為體細(xì)胞治療產(chǎn)品、組織工程化產(chǎn)品及組合物三類加以管理,以質(zhì)地均一程度、治療作用發(fā)揮方式作為分類判斷標(biāo)準(zhǔn),將應(yīng)用于個(gè)體化疾病和損傷部位治療的生物增材制造產(chǎn)品納入再生醫(yī)療產(chǎn)品范疇,通過上述標(biāo)準(zhǔn)加以分類監(jiān)管。