《一文读懂生物医用材料 我国突破发展瓶颈可以这么做!》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-04-01
  • 生物医用材料(Biomedical Materials)或称生物材料(Biomaterial),泛指用于对人体进行诊断、治疗、修复或对人体病患组织、器官进行替换或增进其功能的材料。按照国际惯例,生物医用材料的管理划属医疗器械的范畴,是研究人工器官和医疗器械的基础。生物医用材料是当代科学技术中涉及学科最为广泛的多学科交叉领域,包括材料、生物和医学等相关学科,已经成为当代材料学科的重要组成部分。生物医用材料的研究与开发必须有明确的应用目标,即使化学组成相同的材料,因其应用目的不同,相应的结构和性质要求不同,制造工艺也不同。因此,生物医用材料科学与工程总是与其终端应用制品密不可分,通常谈及生物医用材料,既指材料自身,也包括医用植入器械。


    全球产业现状

    据 QY Research 调查分析,2018 年全球的生物医疗器械及材料相关产业的消费市场以北美最大,欧洲次之,亚洲第三。但是未来几年,随着中国利润丰厚的医疗器械行业和新税收政策,以及心血管疾病数量增加、人口老龄化日益增加、髋关节和膝关节置换手术量增加等因素,亚太地区将成为生物医用材料增长最快的市场。产业竞争方面,生物医用材料产业主要由美国、欧洲、日本等发达国家高度垄断,全球70%以上的市场份额由排名前30的公司占领。中国生物医用材料产业的发展相对落后,科技成果转化能力比较低,产业技术创新能力不强,技术高端产品多数依赖进口。但是,随着国家重视程度不断提升以及居民健康意识的逐渐提高,中国生物医用材料产业的发展突飞猛进,近些年已涌现出一大批具备竞争力的优秀企业。

    全球最大的生物医用材料生产和消费国是美国,占据了全球市场39%左右的份额;欧盟则是凭借其早先的经济基础和较为完善的医疗保障体系等优势紧随其后,占据了全球第二大市场,整个市场份额约为27%;亚洲地区是全球第三大市场,占据了超过20%的市场份额,其中日本占据了10%的市场,而且日本在血液透析材料等领域有着非常明显的优势,同时也带动了其国内其他类型生物医用材料的快速发展。

    我国生物医用材料产业的发展突飞猛进,并初具规模,现已经成为一个战略新兴产业,其总产值的增长远高于同期国民经济平均增速。近几年增速更呈加快趋势,目前年增长已达20%左右,保守估计至2020年,我国生物医用材料市场规模可达4,000亿元左右。国家政策和市场导向不断推动着国内生物医用材料及其产品的创新与生产,国内企业在这一领域内相继取得了丰硕的成果。2019年2月27日,乐普(北京)医疗器械股份有限公司自主研发的重磅产品“生物可吸收冠状动脉雷帕霉素洗脱支架系统”(NeoVas)获得国家药品监督管理局(NMPA)批准的医疗器械注册证,这标志着我国在该领域的研发制造能力已达到国际领先水平,将引领经皮冠状动脉介入治疗(PCI)技术进入“可降解时代”。

    发展趋势及建议

    目前,生物医用材料的前沿及发展方向主要包括:新一代生物材料的设计与研发、纳米生物材料及软纳米技术、表面改性及表面工程研究、先进制造方法学等。新一代生物材料的设计与研发是生物医用材料研究追求的目标,纳米生物材料及软纳米技术是生物医用材料研发的前沿与热点,表面和表面工程是现阶段发展新一代生物医用材料的主要途径,先进的制造方法学是生物材料科学的一个重点。因此,许多研究机构都把目光聚集到这些研究方向,并在诸多细分领域内取得了突破性进展。

    美国方面研发出新一代骨替代材料和有效延长干细胞存活率的聚合物生物材料;

    日本生物材料专家们开发出聚己内酯(PCL)增强的复合材料,同时设计出具有更高结晶范围的无规聚合物单体共结晶材料;

    欧盟方面,德国学者遵循人体机理制造了新型的骨骼愈合材料,并设计了磁力更强的磁性微球材料;

    中国科研人员也在新型生物医用材料中不断创新,复旦大学科研团队通过发展金属-高分子复合技术,开发出一种兼备高的力学性能和适宜的降解速率的冠脉支架。中国科学院研究人员开发出一种减少癌症化疗副作用的富勒烯氨基酸衍生物,极大提高了化疗作用的耐受性,华南理工大学研究的电活性生物材料显著促进骨整合和脊髓神经损伤修复效果。

    近年来,我国生物医用材料产业取得了长足的发展,已经成为国家经济的重要支撑之一。限制我国生物医用材料产业发展的“瓶颈”主要在于技术不能适应市场、技术与管理脱节、工程化薄弱、资金投入不足,从而造成研究成果转化慢、产业化程度较低。针对上述问题,对于未来我国在生物医用材料领域的发展提出以下几点建议:有关部门应建立促进生物医用材料产业快速发展的政策和机制,明确激励机制和政策支持,形成统一的全面规划和管理体系;加强企业的研发能力;大力发展大型企业或企业集群,形成规模化生产等。

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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2022-03-31
    • 一、纤维材料技术发展趋势 发达国家制定了关于先进纤维材料的国家战略和研发方案,例如德国名为“工业4.0”的Future TEX项目已经开始,该项目侧重研究可再生纤维材料、面向顾客的纤维产品和新纤维材料,包括智能纤维;美国建立了纤维和纺织品工业创新机构,重点开发新一代智能纤维纺纱技术;法国建立了新的UP-TEX纤维和工业纺织品创新基地,以促进纤维工业的技术创新,重点运用智能纤维、高工业技术制成新布料、性能较低的纤维、高效纳米医学先进材料和新纤维防护材料。欧盟启动了“地平线2020”方案,重点包括医疗设备和智能纤维产品、高技术非纺织材料、高性能复合纤维材料、先进纳米纤维材料、抗降解纤维材料等。我国通过与纺织企业合作,将重点放在整个链的纤维上,使高性能纤维工业能多领域发展。先进纤维材料是我国10项优先突破之一,是《纺织工业发展规划(2016—2020年)》的优先方向,这也是中国2025年材料开发和制造战略的重要趋势。关于新纤维材料,中国预计在今后10年内重点开发高性能、多功能、智能化、绿色低碳和高附加值纤维制造技术。 二、化学纤维专利分析 1960—2000年,我国化学纤维专利较少,但2000年后,随着化学纤维制造业向中国转移,我国专利申请数量呈现快速增长趋势。 1985年以来,中国专利申请数量逐渐增加,特别是在2000年之后,我国专利申请数量增加明显。尽管2008年发生了金融危机以及2013—2014年化学纤维行业发展停滞不前,我国工业仍通过结构重组和优化,实现了高质量发展,专利申请情况总体良好。 2000年以来,中国的化学纤维专利申请量排名最高,且许多国内大学都在申请专利,东华大学处于领先地位。此外,中国石油和化学品有限公司、江苏化学纤维有限公司、杜邦公司和唐利公司都在积极地申请专利、保护知识产权。 深入分析我国2000年以来的化学纤维专利权发现,主要集中在功能纤维、高性能纤维、纳米纤维、生物纤维和生物医学纤维等,其中,功能性纤维是化学纤维专利申请的热点。2000年以来,功能性纤维专利申请量逐年增加,说明功能性纤维发展迅速,化学纤维的功能越来越受重视。在化学纤维产品生产方面,满足终端需求已成为重要趋势。 2019年,中国专利申请量超过海外专利申请量(专利分析数据均源于国家知识产权局官网),超越了2018年的专利申请数量的统计数据,我国一改化学纤维制造业落后局势,呈现出明显优势。目前,我国化学纤维专利数量,特别是在聚酯纤维和异性纤维等方面,在国际上名列前茅。进一步分析国内外化学纤维专利权发现,专利申请以聚酯纤维、聚苯乙烯纤维和聚丙烯纤维等为主。我国光导纤维和碳纤维的专利申请数量与国外相比还有很大差距,主要原因是国外的技术比较成熟,而我国正处于快速增长阶段。从表1可以发现,中国的专利申请占82.0%,表明中国越来越重视化学纤维的知识产权保护。日本、德国和美国等国家在中国也申请了一定比例的专利权,表明发达国家也在密切关注中国化学纤维的发展。 三、聚酯纤维专利技术 2017年,中国的聚酯纤维产量为39.340 kt,占中国纤维总产量的85.0%以上,占世界纤维总产量的66.0%(分析数据均源于国家知识产权局官网)。然而,聚酯纤维在增强生产能力、提高产品附加值、降低劳动成本和促进能源消费方面还存在一些问题。由于生产能力较弱,纤维在使用和处置后的降解周期较长,回收率较低,导致聚酯纤维的发展优势与现有的发展瓶颈之间产生冲突。2015年以来,我国聚酯纤维的发展重点一直是高性能聚酯纤维及其工业用途、聚酯纤维的回收和生物降解,部分已成为“十三五”国家优先研究的开发项目。 1.高仿真与功能化聚酯纤维 高仿真聚酯纤维和异性纤维是聚酯纤维产品开发的主要方向。聚酯纤维的高仿真是对动物和自然植物纤维的仿真,结合了各种改造技术调整结构和性能,使用聚酯纤维符合环保、卫生、安全的理念,可满足消费者的不同需求。聚酯纤维的多种转换技术包括分子设计中的聚合技术、共混技术、纤维形态技术等。聚合技术是利用协同作用将核心物质与聚合物分子结合起来;共混技术是采用功能母粒,通过共混纺丝制得改性聚酯纤维;纤维形态技术是指改变纤维截面,如中空、异形等;后整理技术包括纺纱工艺与织造工艺等。分析聚酯纤维专利权发现,经过2000年以来的一段快速增长时期,功能性聚酯纤维的专利申请数量呈上升趋势,反映了功能性聚酯纤维的发展已达到一定水平,市场需求日益增加。今后,要在提高产品质量方面加大投资,实现质量标准化。 2.高性能与产业用聚酯纤维 高性能产业用聚酯纤维现广泛应用于运输、环境保护和工程领域,在安全保护领域也发挥着重要作用,并得到了迅速发展。产业用聚酯纤维是许多工业用橡胶轮胎的好材料,产品坚牢耐用,如工业用织物、包装、装甲织物、结构薄膜、安全气囊、传送带等。2000—2009年,产业用聚酯纤维相关的专利申请数量持续增加,2010年以来迅速增加,表明工业领域对高性能聚酯纤维的需求保持稳定。 3.生物降解与循环再生聚酯纤维 研究数据表明,每年全球环境污染和生态破坏造成的损失高达1亿美元,严重影响社会可持续发展。废旧纤维产品通常被倾倒在填埋场或直接焚烧,不仅会造成严重的环境污染,还会造成大量的资源浪费。全国废旧纤维产品总量为1.4×105 kt,但目前回收率不到10.0%,预计到“十三五”结束,废旧化学纤维产品的总量约为2.0×105kt。回收化学纤维不仅能缓解资源短缺现状,还能减少废旧纤维产品中的聚酯纤维造成的环境污染。与简单且应用广泛的传统处理方法相比,再循环和生物降解技术更加有效。一方面,随着聚酯纤维的快速发展,废旧聚酯纤维和产品的社会存量大幅增加,环境保护面临巨大压力。另一方面,随着环保理念深入人心,生物降解和聚酯纤维的循环引起社会关注。功能性聚酯纤维、工业聚酯纤维的生物降解和循环利用是纤维材料功能开发和资源补充领域的重要研究方向。此外,绿色环保型聚酯纤维的研发是重要趋势,生产过程更加强调整个生命周期的绿化以及高效性、灵活性、数字化和智慧化。 四、结语 随着我国化学纤维工业的发展,化学纤维材料相关知识产权广受关注。目前,化学纤维,尤其是聚酯纤维和聚酰胺纤维的专利申请处于领先地位,高等院校等科研机构对化学纤维的基础研究和应用展现出明显优势。我国应建立健全知识产权制度,为异性纤维、高性能纤维、纳米纤维、生物医学纤维和智能纤维的发展提供制度保障。通过分析聚酯纤维专利现状发现,我国化学纤维新材料的开发应侧重于高仿真、生物降解、循环利用、绿色和智能制造等方面的技术创新。
  • 《突破“卡脖子”瓶颈 补齐新能源材料短板》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2021-03-18
    • 作为新材料领域的资深创业者和高科技企业掌门人,联泓新材料科技股份有限公司董事长郑月明代表在今年全国两会期间接受科技日报记者采访时表示,新能源领域涉及的材料种类众多,特别是一些“卡脖子”材料技术门槛高、投入大,建议从国家层面完善新材料产业相关体系、行业标准建设,加大相关政策的支持力度。   新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料,包括太阳能转换材料、锂电池材料、储氢材料及超导材料等。目前,中国新能源材料和零部件在国际市场占比已经很高,光伏面板占全球市场的70%—85%,风力涡轮机占60%—75%,电动汽车占60%—75%,我国光伏新增装机已连续8年位居全球首位。   郑月明认为,在高端新能源材料领域,部分关键材料的核心技术在我国还没有实现突破,对外依存度较高、国产化率较低、原始创新不足、企业竞争力不强等问题严重制约着我国新能源材料产业的发展。   他举了几个例子,在我国最具规模优势的光伏领域,光伏胶膜的核心原材料之一聚烯烃弹性体依赖进口;光伏组件封装用乙烯—醋酸乙烯共聚物树脂国产化率也不高。同样是规模领先的锂电领域,高性能硅碳负极、高端隔膜材料离国际先进水平还有差距。此外,中国氢燃料电池产业正处于大规模示范应用的初期,为突破发展瓶颈,迫切需要解决包括质子交换膜、膜电极、碳纸以及储氢材料等关键材料的短板问题。   据有关机构测算,风能、太阳能在一次能源需求中的比例,将由2019年不到5%增长到2050年的40%左右。随着新能源产业的快速发展,新能源关键材料国产化能力不足的矛盾将凸显出来。   为此郑月明提出了3条建议。   首先在顶层设计上,他希望加强新能源材料产业整体规划和行业引导。充分发挥行业协会等专业机构的作用,协调“政产学研金服用”,建立良性的协作模式;打破新能源材料性能评价的行业壁垒,搭建标准化、国际化的第三方检测平台。   同时,加强新能源领域关键材料的基础研究。支持设立国家级新能源材料创新平台,重点关注关键材料技术研发,提升原始创新能力;加大科研院所、高校等在相关领域的前沿技术研发投入,加强核心技术专利布局;加强专业领域的创新型人才培养和人才梯队建设。   此外,龙头企业的带动作用不容忽视。郑月明建议发挥企业的创新主体作用,支持重点企业加大研发投入,以应用为牵引,加快科技成果产业化;设立国家专项天使投资基金,持续加大对关键材料技术在种子期、初创期的扶持力度;加大对新能源关键材料企业在金融、税收方面的政策支持力度,鼓励围绕龙头企业打造新能源材料产业链和生态圈,增强集群综合竞争力。