医疗领域三维打印技术专利状况研究

寿晶晶 马 克 陈 燕 孙全亮

医疗领域三维打印技术专利状况研究

寿晶晶①*马 克①陈 燕①孙全亮①

目的：探讨医疗领域三维打印技术的应用现状，确定技术应用重点和趋势。方法：通过分析相关专利数据，研究中国医疗领域三维打印技术的应用情况。结果：我国医疗领域三维打印技术增长较快，发展较好，国内专利申请占据数量优势。主要技术研发者以国内申请人为主，重点应用产品领域分别为植入性假体、组织工程支架、组织器官、给药系统、辅助用具及手术策划6个方向。结论：我国医疗领域三维打印技术应用发展迅速，技术研发者以高校科研机构为主，目前骨科和牙科是技术应用的重点领域。

三维打印技术；专利；植入体；牙科

寿晶晶,男,(1984- ),博士，助理研究员。国家知识产权局知识产权发展研究中心，研究方向：医疗、医药领域专利分析。

[First-author’s address]Intellectual Property Development Research Center of State Intellectual Property Office, Beijing 100088, China.

三维打印快速成形技术主要应用于制造工业，为缩短新产品开发与试制周期、降低成本、快速响应用户需求以及增强企业的市场竞争能力做出了巨大贡献[1-2]。目前，三维打印快速成形技术发展如火如荼，引起全球范围的关注。其在医疗领域逐渐展现强大的技术优势，相关研究成果不断涌现[3-5]。

1 三维打印快速成形技术概述

专利文献作为一种技术保护形式，相对论文成果更接近行业应用，更能反映技术的产业化现状[6]。本研究通过对专利文献的统计分析，探讨三维打印快速成形技术在中国医疗领域的应用现状以及相关技术研发者专利或技术布局[7-8]。

现代三维打印快速成形技术被认为诞生于20世纪80年代后期的美国，是基于材料堆积法的一种技术。历经了近30年的发展，三维打印快速成形技术日新月异，已经从概念沟通模型的快速成形发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术，并出现了多种技术分支[9-10]。三维打印技术类型见表1。

表1 三维打印快速成形主要技术类型

随着技术的逐渐成熟，三维打印快速成形技术被推广至生物医学工程领域[11-12]。三维打印产品可以根据确切体型匹配定制，通过三维打印制造的医疗植入物可以提高特殊群体的生活质量(如图1所示)。

图1 三维打印快速成形技术医疗应用领域示图

三维打印机在医疗领域的应用大多仍处于试验阶段，但是其应用会越来越普遍。目前三维打印技术在医疗领域的主要方向分别为：手术策划、植入性假体制作、组织工程支架、给药系统、组织器官培养和辅助用具制作6方面[13]。

2 三维打印快速成形技术专利申请

截至2013年7月，在CPRS中国专利数据库中共检索到中国专利申请161件。通过专利申请趋势、区域分布、申请人、技术构成及领域应用5方面进行分析。

2.1 专利技术发展趋势

三维打印快速成形技术的发展突飞猛进，其在中国医疗领域的应用也呈现出较大变化(如图2所示)。

图2 医疗领域应用专利申请历年变化趋势图

图2显示，中国相关专利申请始于2000年，以清华大学的申请为代表，2003年之前专利申请量很低。2004年开始，申请量有所上升，但2004-2007年基本维持在10件左右；2008年专利申请量较前一时期又有所增加，2009年达到17件，随后逐年上升。2013年数据公开滞后，导致数据不完整。总体而言，我国医疗领域的三维打印技术增长较快，发展较好。

2.2 专利技术持有者的国别分布

三维打印快速成形技术在中国的专利除国内技术研发者外，还有其他国家的企业公司来华进行专利申请，共计161件(如图3所示)。

图3 中国专利申请区域分布图

国内专利申请共138件(有效专利63件)，占整个专利申请量86%；国外来华申请共23件(有效专利7件)，占14%，其中美国和德国来华的专利申请相对较多。图3显示，国内专利申请占据数量优势。

2.3 专利技术申请人分析

三维打印快速成形技术在医疗领域的应用不断增长，对相关专利申请人进行分析能了解各方技术水平和专业方向。排名靠前的申请人主要以国内申请人为主，且高校占比较高(如图4所示)。

图4 中国专利申请量排名前10的申请人示图

清华大学和西安交通大学申请量排名比较靠前，分别为21件和15件。在申请量排名前10的申请人中，只有矫正技术公司(美国)材料喷射(Projet)1位申请人，其专利申请量为3件，主要涉及牙齿矫正技术的装置和方法。

清华大学的专利申请相关应用领域分别为植入性假体，组织工程支架和组织器官3方面，其中组织工程支架方面的应用相对较多，分别涉及熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)、材料喷射(Projet)技术和其他技术。组织器官成形方面共8件专利申请，主要应用Projet技术。植入性假体应用专利5件，涉及FDM和Projet技术。清华大学在组织工程支架和组织器官成形专利实力显示较强(如图5所示)。

图5 清华大学专利申请应用方向的技术构成示图

西安交通大学在专利申请中以植入性假体为主要应用方向，相关应用专利申请共11件，其技术方案分别涉及立体光固化成型法(stereo lithography appearance，SLA)、FDM、选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)和材料喷射(Projet)技术，其中SLA和FDM技术的应用较多(如图6所示)。组织工程支架是西安交通大学专利申请另一个应用方向，技术方案分别涉及SLA和粘结剂喷射，即三维打印。

图6 西安交通大学专利申请应用方向的技术构成示图

在国外来华专利申请人矫正技术公司和西门子技术公司专利申请量为3件，其他申请人都只有一件专利申请。矫正技术公司是美国一家专门从事牙齿矫正技术的研究应用公司，目前在中国的3件专利申请主要涉及使用SLA技术制备个性化应用的牙齿矫正装置。西门子公司来华专利申请主要涉及利用快速成形技术制造助听器的方法。矫正技术公司和西门子技术公司均为三维打印技术医疗领域应用的先行者，其在中国专利申请量少表明对中国市场关注程度不高。

2.4 专利技术领域分布

中国医疗领域的三维打印技术应用分为6个方向：①植入性假体118件(占73%)；②组织工程支架20件(占12%)；③组织器官11件(占6.8%)；④给药系统6件(占3.7%)；⑤辅助用具4件(占2.4%)；⑥手术策划2件(占1.2%)，相关专利申请量占比较少(如图7所示)。植入性假体方面应用是专利技术应用的重点，组织工程支架方面的应用是近期出现的研究热点[14-15]。

图7 中国专利申请医疗应用的领域分布图

相关的技术应用中SLA技术专利为27件；SLA技术是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，技术上最为成熟，成形的零件精度较高，占据着快速成形设备市场的较大份额。其他SLS、三维打印、材料喷射(Projet)、FDM技术以及SLM技术等技术专利较多(如图8所示)。

图8 医疗领域应用的三维打印技术专利统计示图

2.5 植入性假体领域的技术应用状况

植入性假体是我国三维打印快速成形技术在医疗领域应用最主要的方面，技术构成和技术研发者具有代表性。

植入性假体方面是快速成形技术最主要的应用，专利申请118件，各种技术在该领域均有应用。应用最多的为SLA技术，有23件专利申请；其次为SLS技术(17件)；SLM和粘结剂喷射(三维打印)技术的应用也较多，专利申请量均为12件。其余专利申请涉及其他各种技术的应用。西安交通大学、解放军军医大学和华南理工大学是植入性假体方面主要申请人(如图9所示)。

图9 植入性假体方面应用的技术种类分布图

植入性假体方面应用的分支较多，主要以人工骨、骨连接件、假牙、牙齿矫正及植入体模型等。从专利申请量上看，人工骨是最大的应用分支，专利申请量为62件；与其相对应的骨连接件应用为8件，主要涉及骨骼固定连接零件的制备方法。牙科的应用也较多，假牙和牙齿矫正分支的专利申请量分别为26件和13件。从申请量整体分布来看，骨科植入物和牙科植入体是植入性假体最主要的应用(如图10所示)。

图10 植入性假体方面应用的分支分布图

综合植入性假体应用分支和技术种类专利量分布表明，利用SLS技术和三维打印技术制备人工骨骼，利用SLA技术制备假牙是目前主要的应用重点。其SLS技术应用于人工骨、三维打印技术应用于人工骨、SLA技术应用于假牙近5年的专利申请量占比均＞70%，表明这3个方向不仅是应用重点，也是近年来的应用热点(如图11所示)。

图11 植入性假体方面应用分支的技术种类构成示图

3 结论

(1)三维打印技术在中国医疗领域的专利申请快速增长，表明其在医疗领域的应用具有较大潜力，行业对未来应用发展高度关注。

(2)中国医疗领域三维打印技术研发以国内高校为主。清华大学、西安交通大学、第四军医大学和华中科技大学等高校院所是三维打印技术在医疗领域应用的主要技术研发者。国内企业发展动力不足，产学研转化存在一定问题，需提加大国内企业创新力度。

(3)在众多三维打印快速成形技术中，SLA技术专利申请占比最多，其他SLS、三维打印及Projet等技术专利申请也较多，表明医疗领域的应用对三维打印技术有一定选择性。植入性假体和组织工程支架制造是三维打印快速成形技术在医疗领域最主要的应用方向。

(4)植入性假体方面，其SLS和三维打印技术应用于人工骨制备、SLA技术应用于假牙制造是目前应用的重点和热点；其他如FDM技术制作假牙也是三维技术在植入性假体方面主要的应用结合点。

[1]李偲偲,徐志锋,朱佩兰,等.快速成形工艺在航空铝合金铸件试制中的应用[J].特种铸造及有色合金,2014,34(2):212-215.

[2]吴昊.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].科技风,2013(24):277.

[3]索海瑞,岳秀艳,史廷春,等.高分子生物材料快速成形构建组织工程支架的研究[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(6):1101-1106.

[4]张丰收,高乐,崔凤奎.基于CT的骨骼三维打印技术的发展现状与趋势[J].现代制造工程,2011(7):136-139.

[5]贺化,毛金生,陈燕,等.专利导航产业和区域经济发展事务[M].北京:知识产权出版社,2013:86.

[6]于勇,谢凯.浅谈专利信息情报分析方法[J].知识经济,2013(3):7.

[7]毛金生,冯小兵,陈燕.专利分析和预警操作事务[M].北京:清华大学出版社,2006:23.

[8]薛世华,吕培军,王勇.人牙髓细胞共混物三维生物打印技术[J].北京大学学报(医学版),2013,45(1): 105-108.

[9]伍咏晖,李爱平,张曙.三维打印成形技术的新进展[J].机械制造,2005,43(496):62-64.

[10]何创龙,夏烈文,罗彦凤.快速成形技术在骨组织工程领域的应用进展[J].生物医学工程学杂志,2004, 21(5):871-875.

[11]吴任东,杨辉,张磊,等.组织工程支架快速成形技术研究现状[J].机械工程学报,2011,47(5):170-176.

[12]薛世华,王勇,赵雨.人牙髓细胞三维生物打印的初步研究[J].科学技术与工程,2012,12(17):4103-4107.

[13]张富强,王运赣.快速成形在生物医学工程中的应用[M].北京:人民军医出版社,2009:1.

[14]熊耀阳,陈萍,孙健.应用三维打印成型技术制备个体化多孔纯钛植入体的研究[J].生物医学工程学杂志, 2012,29(2):246-250.

[15]邓伟,金格勒,杨毅,等.复合喷射低温沉积快速成形工艺制备包芯骨组织工程仿生复合支架[J].新疆医科大学学报,2012,35(6):755-761.

The patents of 3D printing technology in medical apparatus in China/

SHOU Jing-jing, MA Ke, CHEN Yan, et al// China Medical Equipment,2014,11(12):22-25.

Objective:Evaluating the tendency and major technical field of the application of three dimensional printing technology in Chinese medical apparatus.Methods:Investigating the application of Three dimensional printing technology in medical apparatus by analyzing the patent data.Result:The applications of three dimensional printing technology in medical apparatus rapidly increase recently. Most patents are applied by domestic applicant. The major application areas include implant, tissue engineering scaffold, artificial tissues and organs, drug delivery system and surgery assistant appliance.Conclusion:The three dimensional printing technology in medical apparatus is developing rapidly. Most of the techniques are owned by universities and research institutes. The implant and tissue engineering scaffolds are the major application fields.

Three dimensional printing technology; Patent; Implant; Dentistry

1672-8270(2014)12-0022-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.12.008

2014-07-01

①国家知识产权局知识产权发展研究中心 北京 100088

*通讯作者：shoujingjing@sipo.gov.cn