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基于专利分析的器官芯片结构研究态势及我国产业对策☆

金银雪 ,  覃筱楚 ,  严小波 ,  梁萍 ,  庞弘燊 ,  钟秀梅

科学观察 ›› 2025, Vol. 20 ›› Issue (3) :84-95

PDF (3190KB)
科学观察 ›› 2025, Vol. 20 ›› Issue (3) :84-95 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.20241202
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基于专利分析的器官芯片结构研究态势及我国产业对策☆

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Research Progress on Organ-on-a-Chip Structures Based on Patent Analysis and Industry Countermeasures

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摘要

[目的/意义] 器官芯片技术被视为未来产业的关键技术之一，对推动生物医药产业发展具有重要作用。通过对器官芯片专利技术进行分析，可了解产业整体情况，为我国器官芯片产业培育和发展提供参考。[方法/过程] 基于专利视角，采用定量与定性相结合的专利情报分析方法，对肺器官芯片、血脑屏障芯片、肠道芯片以及肾芯片4种芯片结构类型进行分析，分析了器官芯片结构专利的申请态势、重点申请人，总结了器官芯片结构专利技术设计与改进的技术策略与路径。[结果/结论] 我国器官芯片领域与美国相比仍存在一定差距。为了器官芯片产业的健康有序发展，我国需要加强政策支持和资金投入；对热点产品持续开发，对竞争较小的产品优先开发；与高校或者医疗机构合作，共同突破核心关键技术；紧跟行业领先者技术动态，加强技术攻关。

Abstract

[Objective/Significance] Organ-on-a-chip technology is regarded as one of the key technologies of future industries, and plays an important role in promoting the development of biomedical industry. The analysis of organ-on-a-chip patent technology can provide a reference for the cultivation and development of organ-on-a-chip industry. [Method/Process] Based on the patent perspective, this paper adopts a patent intelligence analysis method combining quantitative and qualitative methods to analyze four chip structure types: lung-on-a-chip, brain-on-a-chip, gut-on-a-chip and kidney-on-a-chip. The application trend and key applicants of organ-on-a-chip structure patents are analyzed, and the technical strategies and paths for design and improvement of organ-on-a-chip structure are summarized. [Results/Conclusions] There is still a certain gap between China and the United States in the field of organ-on-a-chip. In order to promopt the development of organ-on-a-chip industry, we need to strengthen policy support and capital investment; continue to develop hot products and give priority to products with less competition; cooperate with universities or medical institutions to jointly break through core key technologies; and keep up with the technical trends of industry leaders and strengthen technical research.

Graphical abstract

关键词

器官芯片 / 专利分析 / 芯片结构 / 产业对策

Key words

organ-on-a-chip / patent analysis / chip structure / industry countermeasures

引用本文

引用格式 ▾
金银雪, 覃筱楚, 严小波, 梁萍, 庞弘燊, 钟秀梅. 基于专利分析的器官芯片结构研究态势及我国产业对策☆[J]. 科学观察, 2025, 20(3): 84-95 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.20241202
Jin Yinxue, Qin Xiaochu, Yan Xiaobo, Liang Ping, Pang Hongshen, Zhong Xiumei. Research Progress on Organ-on-a-Chip Structures Based on Patent Analysis and Industry Countermeasures[J]. Science Focus, 2025, 20(3): 84-95 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.20241202

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器官芯片（organ-on-a-chip, OOC）是集成在芯片中的多通道3D微流控细胞培养系统，被设计为控制细胞微环境并维持组织特异性功能，从而模拟体外组织器官的特定行为和功能[1]。它依赖于生物学、微生物学、微流控、材料科学和生物工程等多学科领域的进步，近年来快速发展成为生命科学领域的新兴前沿技术。由于人类受试者的研究受限于组织可用性和伦理问题、动物模型的种属差异无法准确模拟人类疾病、人体临床试验涉及安全性等多重因素影响，使疾病研究和药物开发周期长、成本高、效果差。器官芯片在减少动物试验和提供个性化医疗反应方面具有显著优势，因此在组织器官发育、疾病研究、精准医学和新药研发等方面具有广泛的应用前景[2-4]。器官芯片技术对人类健康和生物产业发展具有重要战略意义，吸引了来自政府、科学界和产业界各界人士的关注，被2016年达沃斯世界经济论坛列为“十大新兴技术”之一[5]。清华大学《探臻科技评论》发布的“2023青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单中，器官芯片以“打造仿生人体的体外模型，医药行业的颠覆性技术”而上榜。基于器官芯片的广泛应用前景和发展潜力，各国政府大力支持和推动行业发展。自2011年美国宣布启动人体芯片（human-on-chip）计划起，美国相关政府机构对于器官芯片领域的研究一直持以积极支持的态度，投入大量的研究经费支持该领域的科学研究。欧洲禁止动物用于化妆品测试等政策的出台，极大地促进了行业对类器官和器官芯片这些可能的动物替代性技术的关注[6]。我国也已发布类器官、器官芯片的规范、共识、标准，为技术创新和产业发展奠定了一定的标准基础。国家药品监督管理局药品审评中心（CDE）也明确将类器官、器官芯片等新技术纳入人源干细胞产品[7]以及罕见病药物研发的非临床研究评价模型[8]。如今，类器官芯片已成为全球科研机构和各大药企争相布局的热点领域，心脏芯片、骨骼肌芯片、皮肤芯片、肺芯片、脑芯片和肾脏芯片甚至多器官芯片等不同类型的器官芯片相继出现[9-13]。目前已开发的器官芯片种类较多，本文聚焦肺器官芯片（特别是支气管和肺泡芯片）、血脑屏障芯片、肠道芯片（特别是小肠芯片）以及肾芯片4种芯片结构类型（表1），基于专利视角展开分析，为我国器官芯片行业的发展提供参考。

1 器官芯片结构专利分析

本研究使用的专利数据库为“智慧芽”，检索器官芯片专利数据的截止时间为2025年3月31日。检索策略为总分式检索，利用关键词、分类号相结合的方式制定检索式。本研究使用定量和定性分析方法研究器官芯片的申请趋势、主要申请人等，通过专家智慧识别结合人工标引的方法研究器官芯片的改进策略等。

1.1 技术发展趋势

芯片结构方向的专利申请最早始于2007年左右，此时人们对器官芯片仍处于一种设想阶段，2010年之前，该方向的专利申请数量一直都只有个位数。2010年，哈佛大学的研究人员[14]构建的肺器官芯片在Science上发表，引发了政府部门、产业界和科技界的高度重视。此后，各国接连出台重要政策及专项，支持器官芯片产业发展。2011年，美国启动人体芯片计划；2013年，我国科技部也启动器官芯片重大专项；2016年，器官芯片技术更是被达沃斯世界经济论坛列为“十大新兴技术”之一。从申请趋势上看，全球芯片结构方向的专利申请整体呈现指数增长，从2010年的不到10件增长到2022年的100余件（图1）。

1.2 申请人分析

1.2.1 申请人排名

图2示出了本文所聚焦的4类重点器官芯片结构方向的全球申请人专利申请数量排名情况。全球排名前10申请人中绝大多数为国外，特别是美国的企业或高校，而国内仅上榜2家，分别是中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）与江苏艾玮得生物科技有限公司，这2位创新主体在芯片结构方向的专利申请数量分别排名全球第6和第9位，与排名前3的国外创新主体相比差距较大。其中大连化物所于2010年正式提出开展器官芯片的研究，并纳入国家计划，目前在肝、心脏、血管、肾、脑以及肿瘤芯片方向均开展了特色性的研究。江苏艾玮得生物科技有限公司的研究团队来自东南大学苏州医疗器械研究院和生物电子学国家重点实验室，重点从事器官芯片及其相关设备的开发，并为新药研发、精准医疗等领域提供服务。

重点申请人中，美国的仿真股份有限公司（Emulate,Inc.）、哈佛大学校长及研究员协会（President And Fellows Of Harvard College）以及西达-赛奈医疗中心（Cedars Sinai Medical Center）排名全球前3，这3位创新主体在器官芯片领域有着千丝万缕的联系。仿真股份有限公司是一家初创公司，正在将器官芯片技术商业化，它的器官芯片技术已被用于重建各种不同器官的功能，包括肝、肠、脑、肾和肺。该公司的器官芯片结构具有两个流体通道，可产生血液和其他液体的流动。这些芯片由柔性聚合物制成，可以拉伸以重现与呼吸或蠕动类似的运动。2010年，哈佛大学研究人员[14]构建肺器官芯片的工作在Science上发表，成为器官芯片领域研究的标志性工作。实质上，仿真股份有限公司的创始团队均来自哈佛大学，仿真股份有限公司拥有哈佛大学的全球独家许可，可以为器官芯片技术和相关系统提供强大而广泛的知识产权组合。除此之外，仿真股份有限公司还与西达-赛奈医疗中心合作开展了一项精准医学计划，该计划在临床环境中使用器官芯片技术，旨在为临床医生提供关于个体患者如何对治疗做出反应的更好数据。

其他重点申请人中，麻省理工学院于2017年打造出人体芯片，重点研究人体多种类型器官之间的相互作用，并用于构建各种多器官芯片模型。查尔斯斯塔克德雷珀实验室（The Charles Stark Draper Laboratory）是一家综合类的公司，涉及人工智能、传感器、导航等软硬件技术开发，器官芯片是其生物医学工程领域研究重点，其开发了肝脏、肾脏等器官芯片，并与辉瑞等药企合作，将器官芯片平台用于药物开发及筛选。麻省理工学院还与范德比尔特大学（Vanderbilt University）合作密切，在多器官芯片研究方面产生了一系列成果。截至2021年，新加坡国立大学开发的器官芯片的种类有肝器官芯片、肠器官芯片，除此之外还有视网膜类器官芯片等[15]。

1.2.2 主要申请人技术分布

图3示出了器官芯片领域主要创新主体技术分布情况。整体来看，主要创新主体的研究热点方向在通用技术、肠芯片、血脑屏障芯片3个技术方向。在通用技术方向，麻省理工学院的专利布局量达21件，领先于其他创新主体，而仿真股份有限公司、哈佛大学校长及研究院协会、大连化物所等创新主体专利布局量均在20件以下。仿真股份有限公司在器官芯片领域实力较为突出，其专利布局量遥遥领先于其他创新主体，在肠芯片、血脑屏障芯片方向专利布局量均排名第1，且肺芯片、肾芯片方向也均有专利布局，技术研究较为全面。中国创新主体大连化物所表现亮眼，在各个技术方向均有专利布局，但目前数量较少，暂未形成明显优势。此外，哈佛大学校长及研究院协会、查尔斯斯塔克德雷珀实验室分别在肺芯片和肾芯片方向专利布局排名第1，但均存在其他方向专利布局较少的问题，研究方向各有侧
重点。

1.2.3 主要申请人市场分布

图4示出了器官芯片领域主要创新主体市场分布情况。可以看出，美国是全球创新主体专利布局最多的国家，美国、欧洲、日本、澳大利亚是器官芯片领域创新主体主要布局的目标市场。仿真股份有限公司、哈佛大学校长及研究员协会、西达-赛奈医疗中心、麻省理工学院、查尔斯斯塔克德雷珀实验室、新加坡国立大学6家创新主体在上述国家或地区均有专利布局。聚焦国内市场，全球专利布局量排名前3的创新主体几乎未在中国（不含港澳台地区）布局；国内创新主体大连化物所、江苏艾玮得生物科技有限公司在国内市场专利布局量优势明显，远高于国外创新主体在中国的专利布局量，但2位创新主体目前仅涉足国内市场，还未出现国外市场的专利布局，国内创新主体专利布局走出国门所面临的竞争仍比较激烈；整体而言，中国市场目前的发展潜力较大，国内创新主体之间竞争激烈。

1.2.4 重点团队分析

表2示出了全球芯片结构方向的主要发明人团队。国内发明人团队中，大连化物所的秦建华团队实力较强，本文聚焦的4个芯片结构分支方向技术均有涉及。相比之下，国外团队研究内容相对单一，如仿真股份有限公司有4支团队，其中VARONE, ANTONIO团队、VILLENAVE, REMI团队重点研究肺芯片，KERNS, S. JORDAN重点研究血脑屏障芯片，LEVNER, DANIEL团队重点研究通用芯片。

1.3 四类芯片结构专利分析

1.3.1 肺芯片

呼吸系统对于气体交换、免疫功能至关重要，并与心血管系统紧密协调。它由肺和气道系统组成，气道系统有数百万个被毛细血管广泛包裹的小囊状结构肺泡。呼吸系统直接暴露于外部环境中,容易受到各种致病因素影响而产生病变,威胁生命健康。考虑到重现呼吸系统的重要性，肺芯片对于研究肺部各类疾病具有重要意义[16-17]。表3总结了肺芯片专利的技术改进策略。由于多通道培养或者多器官培养的要求，需要模拟更真实的人体环境，芯片集成更多通道或级联多层结构是肺芯片一个主要的改进方向（CN116240108A、CN119662405A）。同时，由于需要根据不同的需求搭建不同的模拟环境，可拆卸结构也是肺芯片的改进方向之一（CN114907980A）。对于肺芯片，模拟的主要功能是气液交换，因此气体或液体浓度梯度、流量控制也是肺芯片的研究热点（CN219409759U、KR102064935B1、KR101429585B1、US10444223B2、CN116286339A）。此外，如何让细胞培养环境与人体一致，也是重要的研究方向，比如使用凝胶代替细胞外基质（US20220106547A1、WO2022235546A1、EP3861097A4）、仿生肺泡（CN119464051A、CN118351744A、US20240228925A1）、仿绒毛结构（CN114292751B）等方向的研究。

1.3.2 脑芯片

脑芯片是下一代计算技术和人工智能的重点发展方向，也是国际科技竞争的重点领域[18-19]。大脑是多层的复杂器官，血脑屏障的存在保护神经元、神经胶质细胞和免疫细胞免受毒物的伤害，但也为神经系统药物的开发带来了独特的挑战。因此，脑芯片的研发重点在于模拟血脑屏障功能，基于微流控芯片的血-脑屏障模型早已引起学术界的广泛关注。表4总结了脑芯片专利的技术改进策略。技术开发较多的是通过设置流道微结构来更准确地模拟血脑屏障。US20220297117A1通过微结构限定各通道的间隙，以利于间隙中容纳在通道中的生化物质相互反应。WO2017035119A1通过设置微结构来更好地模拟内皮细胞、星形胶质细胞、神经元细胞的3D培养环境。CN114181833B通过微结构构建血脑屏障完整性破坏的病理模型。CN114214194A通过流道布置来模拟构建神经血管单元的主要细胞组成和基质的三维排布。CN119410482A通过雪花状微通道布置使得药物经过雪花状微通道能够生成浓度梯度。可拆卸同样是血脑屏障器官芯片改进方向之一，主要是为了构建不同条件下的细胞培养或者相互之间的生化作用（US10532354B2）。血脑屏障与其他器官功能的相互作用也是目前的主要研究方向，主要用于模拟药物代谢过程（CN107955782B）。屏障结构电阻测量主要用于检测细胞层的紧密性，以用于生理病理模型研究和药物评价，因此如何进行屏障结构电阻测量也是主要的改进方向（CN114891629A）。

1.3.3 肠芯片

人体肠道是一个复杂的生态系统，富含多样的微生物群落，这些微生物群落在营养吸收、药物代谢和机体免疫等方面发挥着关键作用。随着微流控技术和器官芯片技术的不断发展，肠芯片已经成为模拟宿主-微生物互作的有力工具。这些微型化的生物系统能够在体外模拟人体肠道的复杂生理环境，为研究肠道微生物与宿主之间的相互作用提供了一个独特的平台[20-21]。表5总结了肠芯片专利的技术改进策略。肠芯片的改进技术主要体现在多层式集成（CN116396860A、CN103981094A、EP4198119A1、WO2023111127A1、KR101744663B1）、多空间串联（CN116286353A）、无膜式分层结构（CN115960717A、CN218465835U、CN116024086A）、可拆卸结构（CN116024086A）、其他仿生结构（CN114989975A、CN111971383B、CN111971384B、EP3494207A4）。此外，CN118222397A设计了人工智能与微流控相结合，实现数据驱动的益生菌菌株高通量筛选及肠炎治疗药物开发。

1.3.4 肾芯片

肾脏疾病被认为是全球范围内导致死亡的主要原因之一，因此需要开发更先进、更准确的疾病模型。人类衍生细胞系的应用，对各种肾脏疾病的理解取得了长足的进步，其中经典的单层培养已被广泛用作研究各种肾脏异常。球体、类器官和微流控芯片的结合为肾脏领域做出了巨大贡献，从而更进一步促进了该领域的发展和成熟。肾芯片可以通过结合不同物种来源的2D单培养和共培养、3D培养，构建适合不同物质药效毒理学检测的体外模型[22]。表6总结了肾芯片专利的技术改进策略。肾芯片的主要研究方向是模拟肾小球、肾血管结构（CN113621515B），模拟肾过滤和重吸收功能（CN107955781B）。GB2595180B设计了可组合的近端小管、肾小球、集合管芯片模块，模拟不同的肾单元功能。

1.3.5 通用芯片结构

通用器官芯片的改进技术主要体现在器官芯片结构整体、器官芯片零部件以及利用材料特性对器官芯片进行改进方面（表7）。整体结构改进包括集成化（KR102534432B1、US20220290081A1、CN111996121A）、可拆卸结构（CN116057170A、CN112358966B、CN111500445A、KR20230076631A、KR102272667B1）、液体控制（US20200270555A1、WO2017095899A1、CN110586210B、CN111269830B、CN219409758U、CN112375681B ）、气压控制（CN107398307B）等方向。零部件改进包括微电子结构（US20190032021A1、US11402367B2、KR102019007B1）、防漏液（CN110869486B）、引流板（CN108485972B）和流体通道（WO2023083455A1）等。材料改进主要使用到凝胶材料（CN105713835B）和静电纺丝多孔膜（CN118792808A）等。

2 研究态势总结

1）芯片结构研究热度高，美国技术领先，国内突破性技术较少。

近年来，器官芯片结构方向专利申请数量不断增长。从全球重点申请人可以看出，美国拥有全球领先的多家创新主体，包括仿真股份有限公司、哈佛大学、西达-赛奈医疗中心等，实力最为强劲。这些创新主体的专利技术布局和市场布局范围较大，而在中国尚未进行专利布局。中国器官芯片领域与美国相比仍存在一定差距，国内重点申请人大连化物所与江苏艾玮得生物科技有限公司的研究重点多在于器官芯片的应用研究，通用技术较多，突破性技术较少，并且专利布局范围仅限于中国。

2）通用技术、肠芯片、血脑屏障芯片是芯片结构的研究热点。

全球器官芯片结构方向的研究热点集中在通用技术、肠芯片、血脑屏障芯片，主要布局市场为美国、欧洲、日本、新加坡等国家或地区，然而较少布局中国。整体来看，国内外器官芯片领域的专利数量均不多，行业国内外布局空间较大。

3）芯片结构改进重点在于集成化、可拆卸结构、气液控制、流道结构及其他仿生结构等的改进等方面。

对于肺芯片，采用多通道培养，设置可拆卸结构，形成气体或液体浓度梯度及进行流量控制，使用凝胶代替细胞外基质，仿绒毛结构等以实现更准确的仿生结构是研究热点。对于血脑屏障芯片，其重点研究方向包括改进流道微结构以实现通道中的生化物质相互反应和更好地模拟3D环境，设置可拆卸结构，开发多器官芯片以模拟多器官之间的相互作用，以及对屏障结构进行检测。对于肠芯片，其改进点在于多层式集成、多空间串联、无膜式分层结构、可拆卸等。对于肾芯片，其主要研究方向是模拟肾小球、肾血管结构，模拟肾过滤和重吸收功能。除以上芯片外，设计一种通用结构的芯片也是目前的研究热点，通用器官芯片的改进技术主要体现在整体结构改进、零部件改进及材料
改进。

3 产业对策建议

形成新质生产力，发展未来产业是关键。作为一项变革性生物医学技术，器官芯片曾被世界经济论坛列为十大新兴技术之一。然而，器官芯片在药物研发中的应用仍面临一些挑战，这项技术成熟度有限，目前只能模仿真实器官，还无法做到完全复制人体器官的所有功能和生理过程。相信随着技术的不断发展和创新，类器官芯片将在医学领域会发挥更加重要的作用，为患者提供更为安全、有效的治疗方案。为了我国器官芯片产业的健康发展，基于本研究专利分析的结果，本文提出以下对策建议，供同行参考。

1）加强政策支持和资金投入。

美国和欧盟已经将器官芯片技术提升到国家战略高度，并进行了大量投入。我国可以出台相关政策，为器官芯片技术的发展提供良好的政策环境，包括但不限于专利申请的快速通道、市场准入的便利化、临床试验的绿色通道等。同时，可以加大在器官芯片领域的研发投入，包括财政资金支持和税收优惠等，设立器官芯片技术研发专项基金，支持基础研究、应用研究和产业化项目，特别是对具有突破性潜力的项目给予重点支持，以促进技术进步和专利技术布局。

2）对热点产品持续开发，对竞争较小的产品优先开发。

器官芯片的结构材料/改进已成为全球重点创新主体的热点布局方向。我国器官芯片科研机构和企业可以在通用芯片、肠芯片、血脑屏障芯片等热点领域加快研发步伐的同时，关注竞争较小的细分市场，如心脏芯片、肺芯片等，进一步开发其他类型器官芯片及多器官芯片，研究其制备方法及工艺，培养方法等，形成差异化竞争优势。

3）与高校或者医疗机构合作，共同突破关键核心技术。

在中国，器官芯片产业发展主要依托企业、高校、医院、研究机构等创新资源的技术合作与成果转化，产业集聚区覆盖珠三角、长三角及北京等地。国内申请人应加强外部合作，鼓励企业、高校和研究机构组建器官芯片研发联盟，加强校企之间的合作交流，或者与医疗机构进行合作，有助于突破关键核心技术。

4）紧跟行业领先者技术动态，加强技术攻关。

全球器官芯片结构方向排名前10申请人主要来自美国，主要有仿真股份有限公司、哈佛大学、西达-赛奈医疗中心、麻省理工学院等，起步较早且处于行业领先地位。建议我国科研机构建立全球器官芯片技术情报系统，实时跟踪国际领先企业的技术动态和专利布局，充分了解其技术发展情况，及时调整研发策略，进行技术改进和挖掘，以期实现技术突破。

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基金资助

☆广东省自然科学基金面上项目“基于科技互动模式探测科技前沿发展趋势方法研究”(2023A1515011435)

广东省哲学社会科学规划青年项目“基于论文-专利弱信号关联数据的颠覆性技术早期识别研究”(GD23YTS03)

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