2.1   专利申请年分布   根据专利年申请变化(图1)可以看出，3D生物打印技术领域专利申请整体呈上升趋势。从年度分布看，1989至2004年专利年申请量在100件以内，该领域尚未引起研究人员的足够重视，发展处于萌芽期；2005至2011年再生医学不断取得突破与发展，促使更多研究人员进入该领域，专利年申请量保持在100-200件，该领域进入缓慢发展期。2012年以后专利年申请量突破200件，2013年后迎来暴发式发展，2017年专利年申请量超过4 600件，为2013年的11.8倍，年复合增长率85.34%。2013年以来，世界各国纷纷出台3D生物打印的激励政策和发展规划，如欧盟委员会《制造业的未来：2015～2020战略报告》指出将重点发展生物材料、仿生材料和人工假体制造技术，美国在《2020年制造技术的挑战》将生物制造列为11个主要发展方向之一，日本将用于辅助医疗和手术的3D打印器官模型的费用纳入标准医疗保险支付范围。在多项政策与规划发展的引导和推动下，许多突破性技术成果不断涌现，如蓝光英诺依托干细胞生物墨汁技术构建的3D生物打印血管、哈佛大学科研团队打印出厚实的血管化组织构造等。这一时期，研究聚焦假体、骨植入物、生物打印材料、生物墨水、组织结构和器官打印等重要领域，以期通过实验研究手段解决制造问题，与临床应用的实现还有距离，未来实现3D生物打印技术的功能化突破将是该领域发展的重要方向。 "

2.2   技术热点分析 2.2.1   基于IPC分类的技术热点分析   通过对IPC的分布统计分析可以准确把握领域技术研发热点。表1、图2分别给出了专利申请量前20位的IPC分类及各分类专利申请量的年变化趋势图。"

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从技术类别看，B33Y专利申请量最大，其代表了该领域属于增材制造的技术范畴；B29C为该领域共性技术，该技术类别研究起步较早，持续时间最长，是研究人员持续关注的重要领域。生物医疗领域(A61大类)布局较多，A61F、A61L、A61B和A61C等小类均进入前10位。将生物材料、细胞及活性因子结合已成功打印出具有复杂结构和功能的生物功能材料，如骨骼、矫形外科、皮肤、软骨、人工血管等。此外，开发具有生物墨水功能的医用生物材料也是该细分领域的重要方向[23]。B22F代表了金属3D生物打印工艺、制品及设备，其中以强度高、耐蚀性能好的钛及钛合金最具代表性，利用该材料已打印出颅骨、胸骨、牙齿、关节、髋臼、骨盆等内植物，并在临床手术中得到成功应用[24-25]。高分子材料(C08大类)也是3D生物打印的重要应用领域，包括合成高分子和天然高分子材料[26]，代表天然高分子材料的C08L、C08K小类较早得到关注，并取得一定的研发优势。代表合成高分了材料的C08J、C08G、C08F小类则在最近几年出现，并呈现快速发展态势；G06代表了计算机三维模型构建与数字控制等技术，如G06F、G06T；以C12N小类的专利申请量在近些年呈现突增态势，反映出器官再造与移植、生物墨水领域的研究正逐渐引起重视。 2.2.2   基于高被引专利的核心技术分析   专利被引频次越高，代表其对后续专利技术的影响越大，从某种程度上也可反映核心技术的分布[27-28]。对被引频次>30次的156项专利IPC统计发现，高被引专利所涉及到的核心技术与热点技术存在较大重叠，其中B29C(48项，30.77%)占比最高，其他主要IPC依次为：G06F(24项，15.38%)、A61F(24项，15.38%)、B22F(17项，10.90%、C04B(14项，8.97%)、A61C(13项，8.33%)、A61L(11项，7.05%)、A61B(11项，7.05%)、G06T(8项，5.13%)。表2列出了被引频次排名前20的专利信息。其中，美国占据18项，是拥有核心技术专利最多的国家，为其3D生物打印相关产业引领全球奠定了坚实基础，3Dsystems公司、Integra LifeSciences分别有3、2项专利，企业研发实力和行业竞争力极为突出。除美国外，仅比列时Materialise NV公司有2项专利入围榜单，显示出该企业在全球3D生物打印领域的重要地位。榜单中并无中国专利入围，反映出中国在核心技术领域与美国仍存较大差距。 通过对IPC分类、标题和摘要的详细分析，可以将表2中专利技术进行分类：①医疗模型构建占7项，排名第2，4，5，6，16，17，20位。通过医学图像数据构建三维数字医疗模型是实现精准医疗的重要前提。研究人员利用先进的图像处理技术准确获取三维立体数据信息，结合 3D打印技术和建模软件，实现了面向个性化医疗模型的快速构建方法，并在可植入物设计、解剖病理模型、医疗设备修复、手术规划、医疗教育等得到广泛应用[29]。②医用植入物的制备占4项，排名第1，10，11，15位，分别针对陶瓷材料牙修复体、义齿、心脏瓣膜支架结构、骨和关节植入物。在医疗植入物制备方面，骨组织和牙齿的缺损修复最为常见[30]。根据患者损伤部位的缺损情况，通过数字扫描形成三维数据，构建三维模型并利用3D打印技术打印出个性化医疗植入物，实现精准化、低成本的高效修复。③药物传输装置与方法占1项，排名第7位。基于3D打印技术的药物传输装置多采用药物载体或支架材料直接负载药物的形式，需要保证药效的稳定和缓释，因此多由聚合物制备而成[31]。④3D生物打印材料研发占2项，排名第12，13位，分别对应钛合金材料、生物医学相容性可渗透金属合金。金属合金粉末是3D生物打印的重要材料，以钛及钛合金为主，此外还包括钼钛合金、钴铬合金、高温合金等。金属材料的应用应综合考虑其抗腐蚀性、生物相容性以及力学性能[25]。⑤3D生物打印方法、工艺与流程占3项，排名第3，8，18位。3D打印方法、工艺和流程是3D生物打印发展的基础，根据增材制造的原理实现生物材料与生物墨水受控组装，进而形成制造医疗植入物、组织工程支架、活性组织器官的方法体系。⑥医疗器械与设备占3项，排名第 9，14，19位。3D打印能够满足快速、精准、个性化要求，可以根据患者需求，短时间内完成小批量、定制化医疗器械的设计与制造，如特定手术导向器、矫形器和假体，改进和优化手术方案。此外，还可以在短时间内实现医疗设备的修复，应用价值和前景广阔[32]。 2.3   区域分布情报分析  2.3.1   专利优先权国整体分析   专利优先权国代表了技术原创国，一般而言，专利申请人先在其所在国申请专利，然后利用优先权继而在国外申请专利。通过专利优先权国分析可以了解3D生物打印在全球范围的技术分布与竞争格局。统计发现，该领域专利(同族专利)共涉及52个国家和地区，其中排名前10位的依次为：中国、美国、韩国、日本、欧洲、德国、英国、法国、印度、俄罗斯联邦(图3)，这10个国家或地区的专利数量占全球总量的94%，说明该领域的研发区域相对集中，形成了代表性的优势国家或地区。中国的专利数量占全球总数的50%以上，研究优势突出。分析认为有以下几点原因：①政策支持突出。中国政府非常重视3D生物打印相关产业的发展，国务院、科技部陆续出台了多项政策规划，如《国家增材制造产业发展推进计划2015-2016》《中国制造2025》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等，将先进生物材料制造和3D生物打印技术上升到国家发展战略的重要高度。②市场需求强烈。据统计，中国每年因器官衰竭需要进行器官移植的患者约有150万，但由于器官捐献量不足，加之配型成功率不高，导致器官移植需求与供体器官之间缺口巨大[25]，而3D生物打印技术为实现体外构建组织、器官成为可能，促使该领域受到科研人员的重点关注。③多学科领域的技术发展与融合。近年来在创新驱动发展战略实施引导下，中国科技事业飞速发展，医疗、生物、机械、材料、信息等诸多学科领域都取得了突破性进展，为3D生物打印这一多学科交叉的新兴前沿领域提供了基础技术支撑。此外，美国、韩国分别排在2，3位，日本、德国等国则相差不大。整体看，该领域的专利分布并未覆盖全球多数国家和地区，区域发展呈现出不均衡性，科研实力较强的中国、美国、欧洲、韩国、日本等国家或地区在该领域的研发热度较高。  "

从发展趋势看(图4)，中国3D生物打印技术起步晚于美国，在相当一段时期未引起足够重视，技术研发与专利布局相对滞后，但专利申请数量保持了持续增长态势，并于2011年首次超过美国和其他地区。2013年以来在科技发展与政策引导的双重作用下，3D生物打印技术研发进入蓬勃发展期。与中国相比，美国在该领域的研发起步较早，专利数量呈现逐年增长态势，且发展更加均衡与稳定，持续性较好。韩国、欧洲的变化趋势与美国相似，日本则未呈现逐年增长趋势，部分年份出现波动，如2002至2007年研究相对集中，此后直到2012年才再次来研究高峰。 "

2.3.2   PCT专利与高被引专利的区域分布   PCT是有关专利的国际条约，专利申请人可以通过PCT途径递交国际专利申请，向多个国家申请专利。统计显示(图5)，全球3D生物打印领域PCT专利616项，其中美国344项，占比55.84%；欧洲、英国分别为173项(28.08%)、44项(7.14%)；中国仅31项，占5.03%。可以看出，美国非常重视3D生物打印技术的全球化布局，对其3D生物打印相关产业的国际化发展将产生有力推动。欧洲、英国专利数量虽远低于中国，但PCT专利数量却领先中国，反映出其对专利全球化布局的重视。中国在专利数量上遥遥领先，但PCT专利数量并不突出，反映出其对专利的国际保护意识相对淡薄。 被引频次>30次的156项高被引专利中，美国117项，占比75.48%。美国专利申请量虽与中国差距较大，但拥有高被引专利数量最多，核心技术与产品研发优势明显，成为全球3D生物打印技术与产业发展的领导力量。中国拥有17项高被引专利，仅次于美国，但与其专利申请量的巨大优势形成强烈反差，反映出中国核心技术的相关专利质量与影响力相对有限，低质化的专利申请仍较为普遍。此外，欧洲、英国、德国等高被引专利数量均在10项以内，核心技术的专利占比并不突出。整体看，美国在该领域的核心技术方面优势明显，处于“领跑者”地位，中国、韩国、日本、德国等在核心技术方面与美国差距较大，属“跟跑者”角色，未来发展空间较大。 "

2.3.3   主要国家(地区)专利布局与技术分布   从专利布局看(表3)，中国3D生物打印技术相关专利主要为国内申请，对外申请较少，主要关注美国、欧洲、韩国、日本等少数发达国家或地区；美国专利申请量虽不及中国，但其非常重要国外市场的布局，尤其关注欧洲、中国、加拿大、日本、韩国、澳大利亚等国家和地区；韩国、日本、德国、英国等与美国极为相似，非常重视海外市场的专利布局，尤其是在美国的专利布局。"

图6显示，中国在3D生物打印主要技术领域的专利数量优势明显，布局全面，其次为美国、韩国。从技术类别看，中国、美国、韩国、日本等在B33Y和B29C技术类别的布局较为相似，均非常关注3D生物打印的设备、工艺、方法等共性技术的研发。由于技术水平、应用领域与发展成熟度的不同，各国对细分技术的关注程度也存在一些差异，如中国更关注金属3D打印材料、制品与相关设备的开发，美国更加关注A61F、A61B、A61L、A61C等技术类别，涉及生物医用材料，如软骨、矫形外科、皮肤、仿生血管、复杂组织结构、生物墨水等；韩国与美国较为相似；日本则更多关注B22F、C08L等技术领域，涉及金属3D生物打印材料及制品、先进高分子化合物材料等。可见，中国在该领域的研究更关注3D生物打印设备、工艺、技术等领域，对A61F、A61B、A61L、A61C和C08L等技术类别的重视程度与美、日、韩等存在一定差异，未来加强对美、韩、日等国在上述技术领域专利的跟踪与监测，将对国内3D生物打印相关技术和产业的全面提升具有重要借鉴意义。 "

2.4   创新主体分析 2.4.1   主要专利权人分析   在全球3D生物打印领域专利申请量排名前30的专利权人中(图7)，中国、美国分别有12，11家机构入选，英国、德国、韩国、日本等各有1家入围。通用电气公司(287)、惠普公司(252)、中国科学院(233)排名前3位，专利申请量均超过200件。专利申请量在100件以上机构仅14家，说明该领域的研究机构相对集中。从专利权人类型看，企业19家，占比63.33%，作为该领域的重要创新主体，企业成为引领3D生物打印技术与产业发展的主导力量；高校10家，占比33.33%，作为该领域的重要研发力量，高校专注于基础性研究和前沿技术探索，许多突破性科研成果多来自高校，如哈佛大学成功研制出具有复杂结构的活体组织构架-微型血管，麻省理工学院打印出生长高度均匀的细胞培养物，为该领域关键技术突破与产业化发展提供了重要基础支撑。中国专利权人主要为高校和科研机构，企业占比较低，由于起步晚于国外，加之发展基础薄弱，国内更加重视基础性研究，面向产业发展和市场需求的应用技术类研究的占比不高；美国以企业为主，高校为支撑，研究与市场需求有效衔接，通过市场检验成果的技术水平与应用价值，产业发展与基础研究协同发展态势较好。 "

2.4.2   主要专利权人研发优势分析   为深入了解专利权人的研发优势领域，选取具有代表性的16家机构进行对比分析，将16家机构对应的重点技术领域进行了梳理，如表4所示。"

从专利权人技术分布看，国内研发机构主要关注3D生物打印设备、工艺和系统、组织工程支架、金属3D打印等。近年来，中国科学院在生物陶瓷支架、骨组织工程、复杂仿生结构等领域加大研究力度，形成了一定研究优势；国外代表性企业除关注3D打印设备与工艺、骨植入物、组织工程支架外，非常重视打印材料的开发，如东丽工业株式会社、3M公司、Stratasys Inc致力于开发适于生物打印的高分子材料；此外，还关注为用户提供“从设计到制造”端到端的全3D数字化软件解决方案，如3Dsystems公司、Stratasys Inc构建了覆盖产品设计到工厂车间先进应用的生态系统，为用户提供涵盖数字化设计、仿真，制造、检测与管理的精准医疗解决方案。国外代表性高校为哈佛大学和麻省理工学院，研究集中于细胞打印等新兴领域，如高相容性生物墨水、微组织构建、微型血管、肾小管、血管打印等。近年来，研究则聚焦器官芯片打印这一革命性技术，通过在芯片上集成支架、细胞打印，进一步探究疾病机制及进行药物筛选，对医学科研和临床药物设计具有重要应用价值。 2.4.3   主要专利权人合作网络分析   利用DDA分析工具，基于同族专利数据绘制申请量排名前30的专利权人合作网络图(图8)，可以发现有12家机构存在合作关系，多数机构仍以独立形式开展研发，形成了以麻省理工学院、中国科学院为代表的2大合作群体，反映出美国、中国在3D生物打印领域的研发优势地位。此外，三星电子-华为这种跨国合作的形式，有助于加快该领域高水平技术创新成果的产出、转化和落地，推动该领域全球化发展趋势形成。从合作类型看，美国高校、科研院所与企业的合作相对紧密，基础研究能够以市场需求为导向，产学研协同发展态势良好。国内合作多在高校、科研院所间展开，重视基础性研究，但由于缺少与企业的合作，成果转化与应用尚需加强。国内企业多以独立研发为主，缺少与高校、科研院所的合作，对其产品开发、技术升级与市场竞争力提升产生不利影响。此外，国内机构与国外领先机构的合作较少，缺乏全球化竞争意识，对全球科技创新资源的整合与利用不足，导致在资金、人力、设备、技术等方面并未形成有效合力，因此国内企业或研发机构应积极走出国门，拓展国际化合作，进一步提升国际竞争力。 "