医疗器械生物医用材料产业现状及其发展趋势

cityonsea 2019-12-02

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【医疗器械从业者原创观点】

细细品读完该篇正文后，发现信息量非常大，小编认为非常有必要跟大家分享下这篇学术文。十几年前在学校读书的时候，我们专业有一门课《生物医学材料》，老教授就给我们讲解到羟基磷灰石，目前纳米羟基磷灰石—聚合物复合人工骨已在我国取证上市。要说生物医用材料这个细分领域发展也是日新月异。
如果是芯片是电子行业发展的咽喉，那么生物医用材料可谓医疗器械行业发展的咽喉。新材料的发展和应用往往会带动和促进一个细分领域的发展，甚至产生的新的细分产业。对医疗器械来说，生物医用材料往往是医疗器械这个行业的上游，核心关键材料往往制约着这个行业的发展。谁掌握了上游的核心关键材料，往往也就控制着这个细分领域的发展。
本文从生物医用材料的发展现状和趋势也透露出不少行业商机。对投资和专注医疗器械行业发展的或许非常有借鉴意义。近几年，国家大力鼓励发展医疗器械行业，资本，甚至房地产企业都有进入医疗器械行业的痕迹。但医疗器械行业毕竟不是快餐行业，更不是普通消费品行业，如扎堆的进入模仿，复制已有产品，未来势必会进一步加剧同质化竞争。
理想很丰满，现实很骨感。前沿生物医用材料的产品化，前期仅研发投入就比一般医疗器械投入大的多，有的甚至上亿级别。当然风险也是最高的。更让人不可想象的是，前沿的材料和技术产品化时，行业监管审评也往往是最严的。虽然经济回报对投资者来说往往也是最高的。但按照本文作者的说法：生物医用材料产品和技术更新换代周期短，通常仅10年左右。而作为前沿的风险最高监管的产品，其医疗器械产品化的周期都要十年八年，在国内目前的环境下，还有多少企业能静下心来，巨量投入研究前端的生物医用材料，基础材料，又有多少资本，产业基金能等待一个高风险的产品历经十年八年，甚至更久的产业化呢？或许需要国家政策像电子行业的芯片一样发展倾斜，鼓励企业和资本投资，生物医用材料的基础研究，研发，创新产品产业化的发展。
尽管如此，若干公司经过八年、十年、甚至十几年的艰苦奋斗，不放弃，最终还是取得些让国人自豪的产品，比如：国产人工耳蜗，国产人工心脏，人工骨、组织工程化皮肤、生物人工瓣膜、人工角膜、生物芯片、神经调节与刺激装置、可植入的生物传感器、心脏起搏器等。向这些前沿的医疗器械生物医用材料产品化公司致敬！做个好医疗器械产品，真心不容易！

以下为转载文章

生物医用材料产业现状及其发展趋势

作者：魏利娜甄珍奚廷斐*

单位：北京大学深圳研究院深圳市人体组织再生与修复重点实验室（深圳 518057）

内容提要： 近年来生物医用材料及其产业的高速发展，极大地提高了人类的健康水平和生命质量。本文将对生物医用材料进行概述，并简要介绍其产业现状、重点产品、核心技术及其发展趋势。

关键词： 生物医用材料产业现状重点产品核心技术发展趋势

随着经济的发展和全球人口老龄化，人类对自身健康的关注度不断提高。在科学技术的推动下，生物医用材料及其产业高速发展，在各个医学领域得到广泛应用。其相关应用显著降低了心脑血管、癌症等疾病和重大创伤的病死率，极大地提高了人类的健康水平和生命质量。

1.生物医用材料概述

生物医用材料（Biomedical Materials），又称生物材料（Biomaterials），是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官或增进其功能的一类高技术新材料，可以是天然的，也可以是合成的，或是它们的复合。生物医用材料不是药物，其作用不必通过药理学、免疫学或代谢手段实现，为药物所不能替代，是保障人类健康的必需品，但可与之结合，促进其功能的实现。按国际惯例，其管理划属医疗器械范畴，所占医疗器械市场份额>40%。

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，其应用目的不同，不仅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（一般指医用植入体）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。

按材料的组成和结构，生物医用材料可分为医用金属、医用高分子、生物陶瓷、医用复合材料、生物衍生材料等。按临床用途，可分为骨科材料，心脑血管系统修复材料，人工皮肤和敷料、医用导管、组织黏合剂、血液净化及吸附等医用耗材，软组织修复及整形外科材料，牙科修复材料，植入式微电子有源器械，生物传感器、生物及细胞芯片以及分子影像剂等临床诊断材料，药物控释载体及系统等。

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，涉及材料、生物和医学等相关学科，是现代医学两大支柱—生物技术和生物医学工程的重要基础。由于当代材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展，在分子水平上深化了材料与机体间相互作用的认识，加之现代医学的进展和临床巨大需求的驱动，当代生物材料科学与产业正在发生革命性的变革，并已处于实现意义重大突破的边缘─再生人体组织，直至整个人体器官，打开无生命的材料转变为有生命的组织的大门。在我国常规高技术生物医用材料市场基本上为外商垄断的情况下，抓住生物材料科学与工程正在发生革命性变革的有利时机，前瞻未来20~30年的世界生物材料科学与产业，刻意提高创新能力，不仅可为振兴我国生物材料科学与产业，赶超世界先进水平赢得难得的机遇，且可为人类科学事业的发展做出中国科学家的巨大贡献。

2.生物医用材料产业现状

伴随着临床应用的巨大成功，一个高技术生物医用材料产业已经形成，且是一个典型的低原材料消耗、低能耗、低环境污染（一个出厂价5000余元的药物洗脱冠状动脉支架，其不锈钢或钴基合金用量仅约100mg）、高技术附加值（知识成本可达总成本的50%~70%）的新兴产业，近十余年来以高达20%以上的年增长率持续增长。即使近年国际金融危机导致世界经济衰退，2009年美国医疗器械产业仍保持7%的年增长率，表明其发展受外部环境影响很小，对国家经济及安全具有重大意义，是世界经济中最具生气的朝阳产业。

2000~2010年全球市场复合年均增长率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）高达22%以上，2010年全球市场达1520亿美元，预计2010~2020年市场CAGR 可保持15% 左右，2015年世界市场已达3000余亿美元，2020年可达6000余亿美元，与此同时带动相关产业（不含医疗）新增产值约3倍，2015年和2020年直接和间接销售总额分别可达4×3050亿美元≈12200余亿美元和24560余亿美元。与2010年相比，2015和2020可新增工作岗位分别达200余万个和600余万个（按美国医疗器械产业每新增1个岗位，将另增1.5个配套产业岗位，2010年全球工作岗位约250万个计）（图1）。同时，它亦是世界贸易中最活跃的领域，年贸易额复合增长率达25%，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。

全球最大的医疗器械生产和消费国家是美国，2014年它占全球市场的40%左右，消费全球产品的37%，年增长率约8%；由于经济发达，社会医疗保障体系健全，欧盟成为全球第二大医疗器械市场，占有全球市场份额的29%；亚- 太地区是全球第三大市场，占有18%的市场份额，其中日本是亚-太地区医疗技术先进且发展较快的国家，我国和印度则最具备成长潜力与空间，因拥有最多的人口，且其医疗保健系统正在发展当中尚未成熟，东南亚国家的医疗保健系统也还有很大的改善空间，因此市场也将持续成长；拉丁美洲是另一个成长最迅速的区域，墨西哥、巴西、阿根廷和智利等国家都逐步向工业化国家发展，预估未来对医疗器械的需求也将会保持较大速度增长。

生物医用材料及植入器械产业是学科交叉最多、知识密集的高技术产业，其发展需要上、下游知识、技术和相关环境的支撑，多数聚集在经济、技术、人才较集中或临床资源较丰富的地区，产业高度集聚是发达国家医用生物医用材料产业的重要特点。如美国集聚于技术资源丰富的硅谷、128号公路科技园、北卡罗来纳研究三角园，以及临床资源丰富的明尼阿波利斯及克利夫兰医学中心等；德国聚集于巴州艾尔格兰、图林根州等地区；日本聚集于筑波、神奈川、九州科技园等。

产业高度集中（垄断），产品多样或多角化是生物医用材料产业发展的又一特点和趋势。2014年世界医疗器械产业由约30000个医疗器械公司构成，其中90%以上为中小企业。发达国家的中小企业主要从事新产品、新技术研发，通过向大公司转让技术或被大公司兼并维持生存。大规模产品生产及市场运作基本上由大公司进行。不同于我国医疗器械企业“多、小、散”，发达国家医疗器械产业已形成“寡头”统治的局面，全球市场也呈现类似的格局。2014年，排名前50位的跨国大公司占有全球医疗器械市场的85%，其中排名前25位的公司占有75%；例如DePuy，Zimmer，Stryker，Biomet，

Medtronic， Synthes Mathys 和Smith& Nephew 占有全球骨科材料和器械市场的约75%。为提高市场竞争力，保持优势，世界医疗器械行业的兼并和整合一直在进行，行业集中度或垄断度不断提高是生物医用材料产业发展的一个重要趋势。

生物医用材料产业不同于家电或通讯行业，单一产品的市场容量不大，绝大部分单一产品销售额小于100亿美元。为提升企业市场竞争力，回避风险，发展壮大企业，国外跨国公司已从最初的较单一产品生产，通过企业内部技术创新和并购其他企业，不断进行产品生产线延伸和扩大，实现多品种生产。例如，成立于1949年的国际第四大医疗器械生产企业美敦力公司，已从最初的心脏起搏器生产发展成为多品类产品生产，产品覆盖了心律失常、心力衰竭、血管疾病、人工心瓣膜、体外心脏支持系统、微创心脏手术、恶性及非恶性疼痛、运动失调、糖尿病、胃肠疾病、骨科疾病、神经系统疾病及五官科手术治疗等多个领域疾病治疗的产品。

生产和销售国际化是生物医用材料发展的突出趋势。几乎所有生物医用材料的大型企业均是跨国公司，其销售额的相当部分来自国际市场，如2010年美国强生公司销售额的40%（132亿美元），Boston Scientific销售额的46%（35.9亿美元），2011年美敦力销售额的43%（68.37亿美元）均来自境外市场。

为开拓国际市场，跨国公司通过向境外进行技术和资金输出，在国外建立子公司和研发中心，就地生产和研发。同时，为适应国际贸易的发展和提高质量，国际标准化组织（ISO）不断制定和发布生物医用材料和制品的国际标准。

3.生物医用材料重点产品、核心技术及其发展趋势

生物医用材料产业的发展强烈依靠相关领域先进技术的支持及经济实力。美国医疗器械的高速发展及其在国际上的领先地位得力于其航天技术，生物技术，微电子技术，精密加工技术，软件开发等领域为医疗器械产业发展提供的支撑，以及良好的政策环境。目前发达国家依靠其顶尖的科技创新和经济实力，主要生产技术含量高的生物材料和植入器械，劳动密集型、资源消耗型企业已逐渐向海外转移，因此其技术装备非常先进。各种高档的加工中心、专用机床、激光微加工及涂层等设备已装备于生物材料企业；自动化、信息化技术已在生产中广泛应用；最先进的检验设备在大公司随处可见。先进的技术装备确保了其产品的先进性及市场的垄断地位。

生物医用材料产业是一个新兴的产业，其产品和技术更新换代周期短，通常仅10年左右，为保持技术的先进性和产品的市场竞争力，技术创新和升级是其生存和进一步发展的基础。为此，发达国家企业在研究与开发方面的投入不断增大，仅次于新药研发，高达其销售额的11%~13%，且持续增长（图2）。

生物医用材料的应用虽已取得极大成功，但是，长期临床应用亦暴露出不少的问题，突出表现在功能性、免疫性、服役寿命等不能很好地满足临床应用的要求。如人心瓣膜植入12年后病死率达58%，血管支架植入后血管再狭窄率达约5%，人工关节有效期老年组为12~15 年，中青年组仅约5 年等，根本原因是材料或植入体基本上以异物存在体内。当代医学对于组织及器官的修复，已向再生和重建人体组织或器官、或恢复和增进其生物功能，个性化和微创伤治疗等方向发展，传统的生物医用材料已难于满足临床要求。赋予材料生物结构和生物功能，充分调动人体自我康复的能力，再生和重建被损坏的人体组织或器官，或恢复和增进其生物功能，实现被损坏的组织或器官的永久康复，已成为当代生物医用材料的发展方向。主要前沿领域集中于：可诱导被损坏的组织或器官再生的材料和植入器械（包括组织工程化产品）；以及用于治疗难治愈疾病、恢复和增进组织或器官生物功能的药物和生物活性物质（疫苗、蛋白、基因等）靶向控释载体和系统等。生物医用材料及植入器械的前沿研究正在不断取得重大进展，美国FDA 已批准7个组织工程化产品上市，中国CFDA【目前为MNPA】已批准可诱导骨再生的骨诱导人工骨及组织工程化皮肤上市，并颁布了九个组织工程标准，一大批可再生组织的植入器械正在国内外临床试验中。前沿研究已面临实现重大突破的边缘—设计和制造有生命的人体组织。其发展和应用已催生一个新的学科—再生医学，预计再生医学的发展将萌生一个再生医学产品的新产业，未来20年内其市场销售额将突破5000亿美元。再生医学产品主要以生物材料为支架，由细胞或干细胞进行组织工程化而形成新的组织和器官。

虽然前沿研究正在取得重大进展，但是由于技术及其他原因，传统材料至少仍将是未来20~30年内生物医学工程产业的基础和临床应用的重要材料。传统生物医用材料生物学性能的改进和提高，亦是当代生物医用材料发展的另一个重点。生物医用材料植入体内与机体的反应首先发生于植入材料的表面/界面，即材料表面/界面对体内蛋白/细胞的吸附/黏附。传统材料的主要问题是对蛋白/细胞的随机吸附/黏附，包括蜕变蛋白的吸附，从而导致炎症、异体反应、植入失效。控制材料表面/界面对蛋白的吸附、进而细胞行为，是控制和引导其生物学反应、避免异体反应的关键。因此，深入研究生物材料的表面/界面，发展表面改性技术及表面改性植入器械，是现阶段改进和提高传统材料的主要途径，也是发展新一代生物医用材料的基础。

可以预料，在未来20~30年内，生物医用材料和植入器械科学和产业将发生革命性变化：一个为再生医学提供可诱导组织或器官再生或重建的生物医用材料和植入器械新产业将成为生物医用材料产业的主体；表面改性的常规材料和植入器械作为其重要的补充。保守估计，2030年左右两者可能导致世界高技术生物材料市场增长至0.8万余亿美元，与此相应，带动相关产业新增间接经济效益可达3万余亿美元。

在上述总的发展趋势引导下，当代生物医用材料重点发展的产品和核心技术包括：

（1）组织诱导性生物医用材料，以及赋予材料诱导组织再生的设计和工程化制备技术。所谓组织诱导性生物材料是指可通过材料自身优化设计，而不是外加生长因子或活体细胞，刺激细胞沿特定组织细胞系分化，形成特定组织的材料。这是在中国科学家原创性理论基础上发展出的新一代生物医用材料。目前诱导骨形成的人工骨已在中国取证上市，美国等正在新建企业投入生产。进一步的发展集中于软骨、皮肤、肌腱、神经等非骨组织诱导性材料的设计及其制备工艺，预计5~10年内后者将陆续上市。

（2）组织工程化产品。美国FDA已批准组织工程化皮肤及软骨等7个产品上市，中国CFDA【目前为MNPA】亦批准了组织工程皮肤上市，产业已开始形成。当前最有希望突破的是骨、软骨、肌腱、角膜、神经等组织工程化制品及组织工程化人工肝和肾。优选支架材料并优化其制备工艺，干细胞和成体细胞的提取和体外传代、增殖、模拟生物环境的体外细胞培养，以及生长因子的提取及生物衍生材料免疫原性消除和防钙化技术是其发展的关键核心技术。预计未来10年内，组织工程产业将初步形成，并萌生一个500亿美元的市场。

（3）材料表面改性以及表面改性植入器械的设计和制备的工程化技术，包括增进骨、牙等植入器械表面生物活性的表面生物活化技术；增进血液接触材料和器械的表面抗凝血及防组织增生改性技术；赋予表面抗菌、抗磨损、选择性固定生物分子等的表面功能化技术等，以及植入器械形态结构设计系统及软件开发等。

（4）用于微创或无创治疗的介/植入治疗器械和辅助器械，如血管支架、介/ 植入治疗辅助器械等。虽然用于心血管系统的血管支架已产业化并用于临床，但其性能还需不断改进和提高。例如全降解支架的研发可能导致血管支架的更新换代，在未来5年将大量用于临床。关键技术是可降解材料研发，植入器械的精密和微加工，以及表面抗凝血和防组织增生的改性等技术。同时，新的应用领域还有待进一步开拓，其发展有着很大的空间和市场。

（5）生物衍生材料和生物人工器官。材料和植入器械的组成和结构越是接近于人体组织越能为人体所接受，最好的生物材料就是人体自身的组织。因此，生物仿生是发展具有生物结构和生物功能的生物材料的最佳途径。来自动植物组织及其衍生的材料和生物人工器官是当代生物材料产业的一个重点。医用胶原、透明质酸钠、几丁糖、丝素蛋白、生物人工瓣膜、异体及异种组织修复片已在临床广泛应用并已产业化生产，但是质量和品种有待进一步提高和扩大，核心技术是动植物组织及其衍生材料免疫原性消除和防钙化等的工程化技术。

（6）纳米生物医用材料、植入器械和软纳米技术（包括纳米涂层）。从材料学观点人体组织可视为纳米复合材料。纳米生物医用材料制备技术及其生物学效应，包括生物学风险试验和评价，是研究和发展的重点。人体自身形成的具有纳米结构的组织并未表现出生物学风险，因此模拟生理条件下人体组织形成的纳米生物材料装配和合成技术，即软纳米技术，是发展纳米生物医用材料的关键技术。纳米羟基磷灰石—聚合物复合人工骨已在我国取证上市。未来10年左右，纳米生物医用材料和器件，包括纳米药物控释载体和系统产业会有一个大的发展。

（7）与信息和电子学技术相结合的有源植入或部分植入器械。如生物芯片、人工耳蜗、神经调节与刺激装置、可植入的生物传感器、心脏起搏器等。这类器械既可用于离体和在体细胞及细胞内蛋白和基因的实时、动态检测，早期发现重大疾病，又可用于中枢神经系统功能恢复、治疗（如帕金森等中枢神经系统病的治疗）、心律管理和调节等，国际上正在大力发展并已用于临床，中国基本上属起步阶段。这类器械的发展将为生物材料产业开拓新的市场和空间。关键核心技术是精密微加工，包括表面微图案加工、高灵敏度弱电信号检测、生理环境响应传感器的设计和制备、以及长寿命微电池的研发和制备等技术。

（8）通用基础生物医用材料的原材料的开发和质量控制技术。迄今的生物医用材料基本上是移用其他高技术材料，生物学基础研究薄弱，是导致临床应用出现问题的主要原因。提高材料的生物相容性和质量稳定性、研发新的原材料，如可降解医用镁合金、丝素蛋白等，对生物材料的发展有很大意义。

（9）计算机辅助仿生设计及3D打印的生物制造及设备，包括精密加工及自动化生产技术、个性化植入器械的制备技术、组织工程化仿生活体器械的快速成型和制备技术等。其发展可为临床提供一批生物制造设备。

（10）除上述产品外，生物医用材料和植入器械的封装、灭菌、消毒和储存技术，可生物降解和吸收的医用材料技术等亦是正在发展的关键技术之一。