上世紀(jì)90年代初微流控芯片的概念出現(xiàn)以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，微流控技術(shù)已經(jīng)廣泛用于生物和化學(xué)領(lǐng)域的分析與檢測，并在IVD、細(xì)胞分選、器官芯片等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化。
根據(jù)國際MEMS專業(yè)咨詢公司Yole Developpement 2022年7月發(fā)表的《Status of the Microfluidics Industry 2022》研究報告顯示，2021年全球微流控芯片產(chǎn)業(yè)的總規(guī)模為181億美元，預(yù)計到2027年全球微流控芯片市場份額將達(dá)到323億美元，2021-2027年復(fù)合年增長率達(dá)10.1%。
其中，微流控器件市場從2017年的25億美元增長至2022年的58億美元，復(fù)合增長率18%；微流控產(chǎn)品市場從2017年的90億美元增長至2022年的230億美元，復(fù)合年增長率為21%。
就細(xì)分市場來說，到2027年，微流控市場份額預(yù)計排名前3的領(lǐng)域分別是即時檢驗(yàn)(Point-of-Care Diagnosis, POC Dx)、制藥與生命科學(xué)研究以及臨床檢驗(yàn)，市場份額分別為113億美元(CAGR 9.1%)、94億美元(CAGR 13.1%)和86億美元(CAGR 10.3%)。
中國微流控市場的發(fā)展仍處在初級階段，但正在快速增長。據(jù)統(tǒng)計，2017年中國微流控市場規(guī)模約5.52億美元，其中國際品牌在國內(nèi)微流控產(chǎn)品的銷售額達(dá)到3.68億美元，占比67%。國產(chǎn)各類產(chǎn)品的微流控產(chǎn)品銷售額達(dá)到約1.71億美元，占比33%。
POCT等領(lǐng)域快速發(fā)展，對微流控技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)勁需求
目前，微流控技術(shù)的主要應(yīng)用場景為即時檢驗(yàn)(Point of Care Testing，POCT）、制藥/生命科學(xué)研究等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域的火熱發(fā)展以及對微流控技術(shù)產(chǎn)生的強(qiáng)勁需求是推動微流控領(lǐng)域發(fā)展的重要原因。
中國步入老齡化社會、人均消費(fèi)水平提高、居民健康意識增強(qiáng)，政府推動分級診療等因素推動POCT行業(yè)快速發(fā)展，而大部分POCT產(chǎn)品依賴微流控技術(shù)進(jìn)行支撐。
目前POCT技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從定性、半自動定量、半定量再到全自動定量產(chǎn)品四個發(fā)展時代，精密度與自動化程度逐漸提升，最終的發(fā)展趨勢是小型化、“傻瓜”式、操作簡單、無需專業(yè)人員，直接輸入體液樣本，即可迅速得到診斷結(jié)果，并將信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由醫(yī)生指導(dǎo)保健。微流控技術(shù)特性高度契合POCT發(fā)展趨勢，日趨成為構(gòu)建POCT系統(tǒng)的核心技術(shù)。
微流控技術(shù)正在制藥/生命科學(xué)研究領(lǐng)域爆發(fā)強(qiáng)大應(yīng)用潛力。
多項(xiàng)政策出臺，近5年國內(nèi)近60億元資金注入推動行業(yè)快速發(fā)展
基于微流控的巨大應(yīng)用前景，近幾年國家持續(xù)加大微流控技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的政策支持力度。
企業(yè)爭相布局，IVD領(lǐng)域POCT成為微流控技術(shù)應(yīng)用最廣泛領(lǐng)域
微流控還未完全展現(xiàn)其商業(yè)化潛力，創(chuàng)造的顛覆性應(yīng)用需進(jìn)一步發(fā)掘探索。
以上在報告中介紹到的微流控POCT產(chǎn)品都是POCT領(lǐng)域的優(yōu)秀代表，也有不錯的市場表現(xiàn)，但微流控技術(shù)明顯還未完全展現(xiàn)出其商業(yè)化潛力。原因在于，微流控技術(shù)還處于初級發(fā)展階段，以微流控技術(shù)為核心打造的產(chǎn)品在滿足優(yōu)秀性能的前提下，成本問題仍然有待解決。
萊博睿思董事長陳濤指出，尤其是對于早已進(jìn)入了高自動化和低成本階段的生化、免疫等領(lǐng)域，雖然采用微流控技術(shù)可以降低樣本用量和減少檢測時間，但是由于成本問題的掣肘其競爭優(yōu)勢不夠明顯，從行業(yè)來講替代動力不強(qiáng)，微流控產(chǎn)品難以大顯身手。
但值得注意的是，分子診斷領(lǐng)域的自動化程度仍然偏低，高端自動化產(chǎn)品體積較大價格很高，應(yīng)用微流控技術(shù)可以產(chǎn)生較好的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，故而是近些年來行業(yè)內(nèi)各企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。同時新冠疫情對分子診斷的巨大推動也使得更多的企業(yè)采用微流控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的換代。
此外，諸多行業(yè)專家認(rèn)為，微流控行業(yè)目前發(fā)展快速但還處于初級發(fā)展階段，行業(yè)整體無論是對于微流控技術(shù)的把握還是對技術(shù)本身的認(rèn)識和見解還都處于淺層次，目前挖掘出來的應(yīng)用場景還只是冰山一角，還有諸多應(yīng)用場景尚未發(fā)掘到微流控技術(shù)的潛力，微流控創(chuàng)造的顛覆性應(yīng)用還需進(jìn)一步發(fā)掘與探索。
未來隨著國家對于交叉學(xué)科的持續(xù)建設(shè)和投入推動，將會有更多的應(yīng)用場景被發(fā)掘從而顯現(xiàn)微流控技術(shù)更大的發(fā)展?jié)摿?。同時伴隨著微流控芯片成本的進(jìn)一步降低以及高端芯片的設(shè)計制造技術(shù)進(jìn)一步提升，行業(yè)將迎來爆發(fā)。
國產(chǎn)替代兩方向：保證性能降成本，差異化布局與創(chuàng)新
多位行業(yè)人士指出，未來微流控產(chǎn)品在IVD領(lǐng)域發(fā)展主要有兩個方向。
是在保證產(chǎn)品性能的前提下，通過國產(chǎn)替代降低成本打開基層市場。
比如國內(nèi)企業(yè)在一些全球優(yōu)秀微流控POCT產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計以及優(yōu)化改進(jìn)，目前已經(jīng)推出多款微流控POCT產(chǎn)品，且在市場上反響不錯。
像生化領(lǐng)域，天津微納芯、萬孚生物、錦瑞生物、斯瑪特科技、普施康生物、含光微納等都開發(fā)了生化微流控POCT系列產(chǎn)品；免疫領(lǐng)域，深圳微點(diǎn)生物、成都微康生物等都有布局。分子診斷領(lǐng)域，博暉創(chuàng)新、萬孚生物、迪奇生物等企業(yè)爭相進(jìn)入。血?dú)忸I(lǐng)域，深圳理邦的i15秉承了i-STAT的技術(shù)路線，市場反響也不錯。凝血領(lǐng)域，如普施康生物打造了微流控凝血系列產(chǎn)品。（限于文章篇幅，此處介紹不再展開，有興趣的讀者可自行下載報告原文了解）
但總體而言，由于我國微流控產(chǎn)業(yè)上下游配套發(fā)展尚不完善，目前諸多國內(nèi)產(chǎn)品還難以在性能各方面與進(jìn)口產(chǎn)品媲美，在成本上還有進(jìn)一步努力的空間。未來隨著國內(nèi)產(chǎn)品的進(jìn)一步成熟、完善愈多功能，在保證性能的前提下，利用我國素來的人才成本和工業(yè)制造優(yōu)勢進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本，讓產(chǎn)品下沉到更廣大的基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)，無疑會打開更大市場。
比如分子檢測領(lǐng)域，Cepheid的GeneXpert PCR分析儀和BioFire的FilmArray多重PCR系統(tǒng)可以說是奠定了分子POCT產(chǎn)品發(fā)展的兩大方向。但目前這兩款產(chǎn)品價格仍較高，離需要POCT產(chǎn)品的基層市場還較遠(yuǎn)，如果國內(nèi)有廠家能夠迎頭趕上，在保證性能的前提下降低成本，無疑會打開一個較大的市場入口。
是進(jìn)行差異化布局和自主創(chuàng)新，探索微流控與新技術(shù)的結(jié)合以及在新場景的應(yīng)用與落地。
比如華邁興微、普施康生物、科瑞達(dá)生物等企業(yè)探索微流控與化學(xué)發(fā)光的結(jié)合，嘗試發(fā)揮化學(xué)發(fā)光高靈敏度的優(yōu)勢，同時利用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)其小型化和全自動化。博識診斷的微流控磁敏免疫產(chǎn)品m16，該款產(chǎn)品用微流控技術(shù)及巨磁阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了全自動的免疫多聯(lián)檢，同樣是具有突破性創(chuàng)新的產(chǎn)品。
科訊生物利用微流控芯片的優(yōu)勢，開發(fā)了基于無機(jī)納米材料基底的微條形碼陣列芯片進(jìn)行蛋白分子的快速、高靈敏、精準(zhǔn)檢測。源景泰科從高敏、快速、便攜的方向著手，率先進(jìn)行了電化學(xué)與微流控技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用探索，科研版掌上電化學(xué)檢測儀太極mini已上市，用于IVD的商業(yè)機(jī)即將面市。Digifluidic迪奇生物的最新商用POCT全自動核酸分析儀Virus Hunter S以開放合作的方式面向醫(yī)療疾病診斷、寵物/動植物病原檢測、農(nóng)業(yè)疾病檢測、食品安全檢測等領(lǐng)域。
POCT、數(shù)字PCR、細(xì)胞富集分選等方向應(yīng)用火熱，分子檢測正成為微流控應(yīng)用主戰(zhàn)場
目前微流控應(yīng)用最為廣泛和成熟的領(lǐng)域在POCT，該領(lǐng)域有多款產(chǎn)品已成功商業(yè)化，但殺手級應(yīng)用尚未誕生。相比生化、免疫領(lǐng)域的高自動化和低成本，自動化程度仍然偏低、具有較高利潤空間的分子檢測領(lǐng)域成為諸多應(yīng)用微流控技術(shù)團(tuán)隊(duì)的目光所向。
如圖，蛋殼研究院統(tǒng)計了國內(nèi)將微流控技術(shù)應(yīng)用于POCT領(lǐng)域的布局情況?？梢钥吹剑瑢⑽⒘骺丶夹g(shù)應(yīng)用到分子POCT領(lǐng)域的企業(yè)最多，占比將近一半。此外，在全球微流控并購事件TOP交易也可發(fā)現(xiàn)，在8家以開發(fā)微流控POCT產(chǎn)品為主的被收購企業(yè)中，有5家是開發(fā)分子POCT產(chǎn)品。
在國內(nèi)微流控企業(yè)在各應(yīng)用場景布局的情況來看，分子檢測也是目前微流控技術(shù)布局最廣泛的領(lǐng)域。如下圖，國內(nèi)將微流控技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字PCR、分子檢測POCT、NGS的企業(yè)合計共24家，占比國內(nèi)微流控企業(yè)超30%。
微流控在微球制備方面目前的應(yīng)用進(jìn)展
以微米或納米度量的微球，是生物制藥、體外診斷等領(lǐng)域不可或缺的核心基礎(chǔ)材料，有著極大的制備和應(yīng)用難度，曾被《科技日報》列為35項(xiàng)“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域之一。國家多個部門在聯(lián)合發(fā)布的《醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展規(guī)劃指南》中，明確要重點(diǎn)發(fā)展微球在內(nèi)的高端制劑、發(fā)展高端制劑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。
不同于檢測領(lǐng)域?qū)⑽⒘骺匦酒鳛楹牟氖褂茫⑶蛑苽鋵⑽⒘骺匦酒鳛樯a(chǎn)工具，完成從芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-Chip）到芯片工廠（Factory-on-Chip）的角色轉(zhuǎn)換，開啟微流控技術(shù)發(fā)展新時代。
此前利用微流控技術(shù)進(jìn)行微球制備多在科研界探索但尚未在產(chǎn)業(yè)界落地，最大的問題在于產(chǎn)能（單個通道的微流控芯片每小時的微球生成量不超過500μl，這一通量能夠滿足科研需求，但卻無法滿足動輒幾千上萬升的工業(yè)化場景）。但隨著科研領(lǐng)域進(jìn)一步研究積累以及在產(chǎn)業(yè)化方面完成的技術(shù)突破，目前國內(nèi)已有多家公司獲得里程碑發(fā)展。
如國內(nèi)阿卡索生物已在2022年8月成功推出全球首款千級通道微流控芯片，并基于此順利實(shí)現(xiàn)高均一微球的量產(chǎn)制備，單片芯片的微球月產(chǎn)能可達(dá)到近千升。新近成立的毫厘科技目前已經(jīng)成功開發(fā)出針對瓊脂糖層析填料微球的生產(chǎn)型硅基微流控芯片，可將單個芯片的總通量提升到百萬微球級別。
此外，傳統(tǒng)的微球制備方式如釜式反應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控，且受材料、工藝所限，不能滿足市場日益復(fù)雜和多樣化的微球需求。而利用微流控芯片除了能夠高效生產(chǎn)粒徑均一、粒徑分布集中的高性能微球，還具有快速開發(fā)不同粒徑、不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)微球的定制化能力，以及制造出雙層或多層材質(zhì)包裹的復(fù)雜微球，彌補(bǔ)傳統(tǒng)微球制備短板，打破中高端微球進(jìn)口壟斷。
在生產(chǎn)效率方面，傳統(tǒng)方法要實(shí)現(xiàn)微球的粒徑控制、篩分、改造和包裹，需要長鏈條的復(fù)雜生產(chǎn)工藝且收率極低，利用微流控芯片進(jìn)行微球生產(chǎn)（以瓊脂糖微球?yàn)槔?，產(chǎn)業(yè)有企業(yè)目前可做到粒徑方差＜5%，收率最高可接近100%），每次技術(shù)迭代就可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)級擴(kuò)增產(chǎn)能或者降低生產(chǎn)成本。
在具有千億藍(lán)海市場的輔助生殖領(lǐng)域，微流控也正在顯示其巨大市場潛力。據(jù)2020年底國家藥監(jiān)局官網(wǎng)發(fā)布信息預(yù)測，2023年我國不孕不育率將增加至18.2%。據(jù)Frost & Sullivan報告，隨著我國不孕不育率持續(xù)走高、輔助生殖服務(wù)滲透率逐年提高以及國家三孩生育政策的推動，預(yù)計2023年至2027年輔助生殖領(lǐng)域能夠保持14.5%的復(fù)合年增長率增長，預(yù)計2027年輔助生殖服務(wù)市場規(guī)模約為852億元。
輔助生殖技術(shù)雖然發(fā)展迅速，但存在操作繁瑣重復(fù)、操作質(zhì)量難控制、人為操作誤差等問題。微流控技術(shù)特性與輔助生殖實(shí)踐中的檢測、操作需求相匹配，有效提升輔助生殖平臺操作效率。
2023-8-17 |
