基于印刷的国内生物传感器技术专利分析.pdf

印艺技术52一、引 言生物传感器是一类特殊的传感器，主要用于化学和生物物质的微量含量测定，在结构上主要由生物敏感元件（如酶、蛋白质、DNA、核酸适配体、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞、组织等）和信号转换器（将生化反应转变成可定量的物理或化学信号）两部分组成。生物传感器包括酶传感器、D N A传感器、Aptamer传感器、微生物传感器、免疫传感器、细胞传感器等，已成为分析化学中最活跃的研究领域，并在临床诊断、工业控制、食品和药物分析、生物药物开发、环境分析、军事领域、生物技术等诸多方面有广泛的市场需求和应用前景。作为当代极为重要的新兴科学技术平台和国家层面产业转型的潜在战略领域，生物芯片正处于一个非常重要的发展阶段。相比于传统的电路板制造工艺，印刷法生产的电子电路产品无需涂胶、曝光、刻蚀、显影、去胶基于印刷的国内生物传感器技术专利分析周锟鹏1 金 琳2 肖 颖2等高成本的工序，大幅简化了生产过程，具有节约原料、降低成本、绿色环保等优势。印刷技术与生物传感器技术的结合，使得生物传感器微型化、集成化、批量化、低成本化成为可能。1987年，美国MediSene公司开发印刷酶电极，用于血糖检测，这标志着印刷技术应用于规模生产生物传感器已经成为可能。2006年，Sophie等人将酶和其他材料混合在一起形成生物复合物油墨，并采用丝网印刷技术将其印制到基材上，获得了生物传感器。2008年，Koji等人提出了一种全喷墨印刷多分析物化学传感装置，用于同时检测尿液中pH、总蛋白和葡萄糖。2013年，Inalainen等人采用非接触喷墨印刷技术在普通纸上印制Au电极，并在电极表面组装生物组分识别层，成功制成一种纸基生物传感器。2015年，加州大学圣地亚哥分校Wang等人基于丝网印刷开发了一种无创血糖检测设备，并通过分析7例健康受试者的穿戴测试数据，印艺技术53PRINTING FIELD 2024.02进一步展示了基于印刷的传感器无创性血糖监测的可行性。目前基于印刷的生物传感器技术在国外已经进入了专利迸发期，以美洲、欧洲地区发展最为迅猛，并且在中国早已开始了专利布局。近年来，我国在这方面的研究和投入也加快了步伐，但是国内企业和研究机构在印刷生物传感器技术领域还比较单薄，而且研究分散，重复性实验较多。在这种情况下，对国内印刷生物传感器技术专利进行梳理和分析，有利于知己知彼，把握技术的发展动态，同时也为政府机关和企业投资者在该技术领域的投资和规划提供参考。本次专利检索主要利用国家知识产权局平台对国内从2000年1月1日至2023年12月31日期间公开的所有专利技术进行检索，检索关键词为“印刷+生物传感器、印刷+生物芯片、印制+生物传感器、印制+生物芯片”等，然后使用知网、万方等数据平台对相关的文献进行辅助检索，经过筛选共得到450余份有效的专利数据，并对这些专利从专利发展趋势、地区分布、专利代理人、应用领域、印刷方式等方面进行分析。二、基于印刷的生物传感器专利技术总体分析1.总体发展趋势20002023年我国大陆地区受理的基于印刷的生物传感器专利数据如图1所示，可以看出20002007年基于印刷的生物传感器技术一直处于缓慢发展期，2008年之后进入快速发展期，在2015年时有所突破，这一规律可能与国内的经济发展形势相关。2020年因疫情的影响专利申请数量有所下降，疫情之后，国内的医疗水平和病毒检测水平得到大幅提升，同时也带动了生物芯片专利申请的井喷，2021年的专利申请数据可以体现这一情况。在统计的专利数据中，国内企事业单位共申请360件，占比79.1%；个人申请19件，占比4.2%；国外企业申请76件，占比16.7%，由数据可知，外资企业在我国申请的基于印刷的生物传感器专利占据了图1 20002023年我国大陆地区受理的基于印刷的生物传感器专利情况 印艺技术54较大的份额，特别是20082018年外资企业在国内受理的生物传感器专利数量有大幅提升，2019年之后随着国内印刷电子和生物芯片技术的快速发展，国外企业在大陆地区申请的基于印刷的生物传感器专利呈现明显的下降趋势。2.地区分布情况国内企事业单位申请的基于印刷的生物传感器专利各地区分布情况如表1所示。其中，华东地区申请数量最多，为191件，占比53.1%，其次是华北地区和华南地区，分别占比17.2%和12.2%。西南、华中、港澳台、东北、西北地区紧随其后，占比较小。由表1可以看出，华东地区的基于印刷的生物传感器技术要遥遥领先于其他各地区，华北地区和华南地区的生物传感器技术发展势头也很强劲，此外还可以推断各地区的专利申请情况与当地的经济发展水平和医疗水平息息相关。近20年来，在我国大陆地区申请的基于印刷的生物传感器专利的国家有13个，其分布情况如表2所示，排名前三的分别为美国、韩国、日本。其中，美国获得的专利受理数量最多，为26件，占比34.2%；其次是韩国，被受理专利13件，占比17.1%；日本被受理8件，占比10.5%。美国、韩国、日本均为印刷电子和医疗技术发展迅猛的国家，三者被受理的专利数量占到总量的61.8%。3.印刷方式分析基于印刷的生物传感器专利技术所采用的各类印刷方式如表3所示。其中，丝网印刷占比最大，为72.3%，其次是多种印刷方式、喷墨印刷、柔性印刷，占比分别为12.3%、9.9%、9.0%。由表3可知，丝网印刷在生物传感器技术开发中已经成为主要的印刷方式，因此对基于丝网印刷的生物传感器专利进行分析具有必要性。表1 基于印刷的生物传感器专利地区分布情况表3 使用不同印刷方式的生物传感器专利数量对比注：多种印刷方式指至少包含3种的印刷方式，丝网印刷、喷墨印刷、柔性印刷、3D打印、蜡打印等统计数据中均不包含多种印刷方式的数据表2 国外企业在大陆地区受理的基于印刷的生物传感器专利情况地区受理数量（件）占比（%）华东19153.1华北6217.2华南4412.2西南236.4华中154.2东北82.2西北71.9港澳台102.8国家受理数量（件）占比（%）美国2634.2韩国1317.1日本810.5瑞士67.9德国56.6英国45.3以色列45.3新加坡33.9法国22.6马来西亚22.6澳大利亚11.3加拿大11.3瑞典11.3印刷方式受理数量（件）占比（%）丝网印刷32972.3喷墨印刷459.9柔性印刷419.03D 打印61.3蜡打印61.3多种印刷方式5612.3印艺技术55PRINTING FIELD 2024.02三、基于丝网印刷的生物传感专利技术统计及分析1.总体发展趋势20002023年在我国大陆地区受理的基于丝网印刷的生物传感器专利数据如图2所示，可以看出，基于丝网印刷的生物传感器技术在2014年以前发展较缓慢，2014年以后出现快速增长，并出现振荡增长趋势，2020年受疫情影响出现较大幅度下降，整体发展趋势与基于印刷的生物传感器技术相似。在基于丝网印刷的生物传感器专利统计数据中，国内企事业单位获得受理275件，占比83.6%；外资企业获得受理41件，占比12.5%；个人获得受理13件，占比3.9%。对比基于印刷的生物传感器专利数据可知，在丝网印刷方面，国内企事业单位和个人受理的专利数量占比由原来的83.3%提升至87.5%，外资企业的占比由原来的16.7%下降至12.5%，因此可以推断国内研究人员更倾向于采用丝网印刷技术来参与生物传感器的生产与研发。外资企业获得受理的基于丝网印刷的生物传感器专利如表4所示，其中美国获得受理数量最多，为13件，占比31.7%，韩国和瑞士并列第二，获受理5件，占比12.2%，日本排名第三，获受理4件，占比9.8%。与表2对比可知瑞士占比有较大提升，因此可以推断瑞士研究人员在生产和研制生物传感器方面也更倾向于采用丝网印刷技术。2.应用领域基于丝网印刷的生物传感器专利技术应用领域如表5所示，主要应用领域包含医疗、农业与食图2 20002023年我国大陆地区受理的基于丝网印刷的生物传感器专利数量国家申请数量（件）占比（%）美国1331.7韩国512.2瑞士512.2日本49.8德国37.3以色列37.3新加坡24.9法国24.9马来西亚24.9英国12.4瑞典12.4表4 外资在大陆地区受理的基于丝网印刷的生物传感器专利数量印艺技术56品安全、生物检测、环境安全、服装安全、人工智能等，其中排名前三的分别是医疗、农业与食品安全、生物检测。基于丝网印刷的生物传感器技术在医疗领域的应用包含临床医疗、保健、药物开发、DNA检测、医疗器械、医学鉴定、健康监测、生育等方面，占统计数据的69.0%；在农业与食品安全领域的应用包含农药残留检测、重金属检测、食品抗生素检测、食品加工、土壤检测、水质检测等方面，占比18.2%；在生物检测方面的应用包含微生物检测、生物酶检测、病毒检测等方面，占比17.3%；在环境安全领域的应用包含环境检测、环境监测、污染治理、污染物检测、交通安全、生产安全等方面，占比4.9%；在服装安全领域的应用包含纺织物重金属检测、纺织物农药残留检测等，占比1.5%；在人工智能领域的应用包含智能穿戴、智能制造、智能日用品等，占比1.5%；此外，在清洁能源生产、美妆生产、身份识别、司法鉴定等其他方面也有极少量的应用。由表5可知，基于丝网印刷的生物传感器专利技术在医疗应用领域具有十分明显的优势。3.专利申请人情况基于丝网印刷的生物传感器专利技术排名前10位的专利权人如表6所示，其中，济南大学、南京工业大学、山东理工大学专利受理量并列第一。前10名专利权人中，华东地区占有5位，华北地区占有3位，华南地区占有2位，进一步验证了表1中我国各地区受理生物传感器专利数据的有效性。4.前引证情况专利的被引证次数越多，说明该专利价值度更高，属于行业的核心专利。基于丝网印刷的生物传感器专利的被引证前10位统计情况如表7所示。被引证的核心专利中国内研究机构占绝大多数，说明国内研究机构在研究丝网印刷生物传感器方面并没有过多依赖国外的技术和经验，而是不断创新，掌握自己的核心技术。此外，前引证的核心专利主要集中于20112015年，表明国内的丝网印刷生物传感器技术已经从刚开始的婴幼儿期过渡到快速成长期，也表明该时期国内企业和科研院所对丝网印刷生物传感器技术投入较大。应用领域申请数量（件）占比（%）医疗22769.0农业与食品安全6018.2生物检测5717.3环境安全164.9服装安全51.5人工智能51.5其他30.9表5 基于丝网印刷的生物传感器技术应用领域分布表6 国内基于丝网印刷的生物传感器部分专利权人排名排名专利权人申请数量（件）1济南大学121南京工业大学121山东理工大学122浙江大学83江苏省检验检疫科学技术研究院、江苏出入境检验检疫局工业产品检测中心63北京大学63桂林电子科技大学64苏州科技大学54杭州微策生物技术有限公司54深圳华大智造科技股份有限公司5印艺技术57PRINTING FIELD 2024.02四、结 语自2000年以来，国内基于印刷的生物传感器技术得到了飞速发展，特别是2008年之后国内基于印刷的生物传感器技术进入快速发展期，2019年之后随着国内印刷电子和生物芯片技术的快速发展，国外企业在国内申请的基于印刷的生物传感器专利数量呈现明显的下降趋势。通过对20002023年我国大陆地区受理的专利进行分析可以得到：在地理分布上，华东地区基于印刷的生物传感器技术发展要远超其他地区；在印刷技术方面，丝网印刷目前已成为研究生物传感器技术最主流的印刷方式；在应用领域方面，医疗、农业与食品安全是丝网印刷生物传感器技术应用最多的领域；在研究人员方面，国内受理专利最多的是济南大学、南京工业大学、山东理工大学等；其他国家在国内申请专利较多的为美国、韩国、日本等。此外，国内的丝网印刷生物传感器技术在2015年之后，已经从开始的婴幼儿期过渡到快速成长期，正向技术成熟期迈进，未来在医疗、农业与食品安全、生物检测、环境安全、服装安全、人工智能等领域将有巨大的发展前景。（参考文献略，本研究成果受上海市高水平院校建设经费资助，项目编号：JXYJ20230915）作者单位：1.湖北楚天传媒印务有限责任公司，2.上海出版印刷高等专科学校关键词：丝网印刷 生物传感器 专利申请 统计申请号前引证数专利名称申请人公开日期CN201210488879.X7一种脱氢酶型电化学生物传感器制备方法重庆医科大学2012-11-27CN201510671948.46一种基于丝网印刷电极检测有机磷农药的传感器的制备方法山东理工大学2015-10-19CN201510317484.76一种基于丝网印刷碳电极的传感器制备方法及应用山东理工大学2015-06-11CN201210095096.55自动编码装置和具有该装置的生物传感器和制造方法艾康生物技术（杭州）有限公司2012-03-31CN201410149341.54一种检测胆固醇的酶生物传感器及其制备方法与应用华南理工大学2014-04-14CN201210329870.44一种一步电沉积乙酰胆碱酯酶生物传感器的制备方法山东理工大学2012-09-10CN201210529732.04一种基于碳纳米管的便携式酶传感器的制备方法江苏大学2012-12-11US2013138557264BIOSENSORJOINSOON MEDICAL TECHNOLOGY CO LTD2013-04-03CN201110416159.84一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极及其制作方法天津工业大学2011-12-14CN201310488105.14一种检测毒死蜱农药残留的酶传感器制备方法山东理工大学2013-10-18表7 基于丝网印刷的生物传感器部分专利引证情况