微流控芯片行业研究

壹 微流控芯片概况

1、微流控芯片的含义

微流控的“微”是指实验仪器设备的微型化（尺寸为数十到数百微米）；“流”是指实验对象属于流体（体积为纳升到阿升）；“控”代表着在微型化设备上对流体的控制、操作和处理。它属于一种底层技术，交织着化学、流体物理、微电子、新材料等多门学科知识，从理论上说任何流体参与的实验，都应有微流控技术的一席之地。

微流控芯片（Microfluidic Chip），又称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)，是微流控技术的下游应用单元，是指把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。具体来说，通过MEMS技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，从而实现对无机离子、有机物质、蛋白质、核酸以及其他特定目标对象的快速、准确的处理和检测。它将需要在实验室进行的样品处理、生化反应和结果检测等关键步骤都汇聚到了一张小小的芯片上进行，故又被业界誉为“芯片实验室”。

由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

2、微流控芯片技术的发展历史

上世纪50年代末，美国诺贝尔物理学奖得主Richard Feynman教授预见未来的制造技术将沿着从大到小的途径发展，他在1959年使用半导体材料将实验用的机械系统微型化，从而造就了世界上首个微型电子机械系统（Micro-electro-mechanical Systems，MEMS），这成为了未来微流控技术问世的基石。

从微流控的定义上来讲，真正微流控技术的问世是在1990年。瑞士Ciba-Geigy公司的Manz与Widmer应用MEMS技术在一块微型芯片上实现了此前一直需要在毛细管内才能完成的电泳分离，首次提出了微全分析系统（Micro-Total Analytical System，ì-TAS）即我们现在熟知的微流控芯片。

1994年，美国橡树岭国家实验室的研究人员Mike Ramsey在Manz与Widmer的原有研究基础上，改进了芯片毛细管电泳进样方法，提高了其性能。同年，世界首届国际微全分析系统学术会议在荷兰Enschede举行，微流控芯片全面进入大众视野。

1995年，全球首家专门从事微流控芯片技术的公司—Caliper Life Sciences在美国马萨诸塞州成立。

1999年世界首台微流控芯片商品化仪器-毛细管电泳微芯片由安捷伦公司和Galiper公司联合推出，被应用于生物分析和临床分析领域。

 中国打响打响微流控赛道第一枪的是《Lab on a Chip（芯片实验室）》。该刊创建于2001年，专门用于收录微流控技术研究类文章。一年后，中国迎来了首次以微流控为主题的学术会议，即北京举办的首届全国微全分析系统会议，实现微流控芯片大规模集成。

3、微流控芯片技术的优势

微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统。

4.1微流控芯片的技术原理　　

微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵。电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量分析。

         到目前为止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸。合适的材料对于制作工艺选择和微流控芯片的成功应用非常重要。

5、微流控芯片技术的应用领域

原则上，微流控芯片可以用于各个分析领域，如生物医学、新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应用领域。目前的应用重点主要集中于在生物医学领域：核酸分离和定量、DNA测序、基因突变和基因差异表达分析、蛋白质的筛分等。

贰 微流控芯片行业发展现状

1、全球微流控市场2020年将突破百亿大关，器官芯片将成有力支撑

根据Yole分析师最新数据统计显示，2018年全球微流控产品市场规模达到87亿美元，2019-2024年期间的复合年增长率高达11.7%，预计2024年将达到174亿美元。两项主要应用为：（1）即时检测（POCT）；（2）制药/生命科学研究（包括测序、基因组学和蛋白质组学）。不过，其它微流控应用也在不断发展。

 据麦姆斯咨询介绍，2016年-2018年期间器官芯片市场增长了4倍（从750万美元增至2960万美元），而2018年-2024年期间的复合年增长率（CAGR）预计将高达35.3%。

2、国内微流控芯片增量空间巨大，产品上市周期短

目前来讲，微流控的最大的产业化场景还是在于体外诊断。虽然基于微流控技术的复杂诊断测试市场主要由国外的公司主导，但由于中国厂商在性能方面提出了吸引人且创新的解决方案，以及在价格方面也更有优势，国产微流控厂商的市场份额在近几年及将来将保持着远高于全球的增长速度。

2015年，我国微流控芯片行业市场规模达到25.7亿元，比2014年同比增长8.2%。2015年，我国微流控芯片行业产量达到692.45万个，比2014年同比增长8.7%；需求量达到717.56万个，比2014年同比增长8.4%。

根据Yole的调研，预估中国厂商的微流控产品销售额将从2017年的1.71亿美元增长至2023年的7.541亿美元，复合年增长率高达28%，而此间全球微流控市场的增长率稳定在18%左右。且新兴中国微流控厂商的产品上市周期更短。

3、产品生产多样化，厂商区域特征明显

中国的微流控芯片供应链与国外相比仍然存在差距，尤其是玻璃和硅基微流控芯片。部分中国诊断公司选择内部生产微流控芯片，并将其运用在产品中，而其它公司仍然更愿意与国外的微流控装置制造商合作。通过这种方式，它们能够集成更高质量的芯片，同时仍然能够以比国际巨头更低的价格提供产品。由中国微流控工业协会的统计数据来看，截至2018年中国的微流控企业主要分布于东部及经济发达地区，尤以长三角、珠三角为最。

叁 微流控芯片发展的制约因素

1、技术难度高，制作工艺复杂

微流控技术被列为“未来15年内影响人类最深“的发明之一、“改变未来的7种技术”之一。一块芯片的成型要考虑微流控芯片加工、微流控芯片封合、微流控流体驱动、气溶胶污染设计、仪器信号检测、配套软件系统，涉及工业制造、设计、软件工程、计算机技术等高精密技术科学。一条芯片制造生产线大约涉及50多个行业，一般要经过2000-5000道工艺流程，制造过程相当复杂。

除此之外，虽然微流控芯片核心区域可能就几平方厘米大小，但涉及到的上游产业却相当庞大，并且对加工精度等有非常高的要求，这使得成本一直居高不下。虽然也号称芯片，但其产业链成熟度与半导体芯片完全不可同日而语。

2、核心技术缺乏规范和标准

　　一个成熟的微流控产品，往往需要配套使用的试剂——核心的微流控芯片、芯片驱动平台、光电检测模块、信号处理模块以及人机交互的软件系统等等组件。对于一个成熟的产业链而言，一个复杂的产品的不同组件是由不同公司大规模的生产，然后有某个掌握一个或者几个核心技术的公司组装而成。在微流控的产业化中，由于这个技术还不太成熟，产品缺乏相应的标准化和规范化，目前还没法实现组件的通用化。这样也就没法形成上下游公司合作式的开发一个产品的模式。

3、目前生产成本高昂

　　对于微流控免疫分析芯片来说，其面临的最大问题是分析芯片都是一次性使用，不能充分发挥微流控分析平台可多次使用的优点，导至检测成本升高。在目前加工条件下，一块供研究用的标准玻璃芯片价值可能在几十到上百美元之间。

除此之外，微流控产品本身就是结合微机电加工、生命科学、化学合成、光学工程及电子工程等许多领域学科的新产品，技术要求高，开发周期较长。这也导至了，像诸如GeneXpert PCR分析仪这样的具有突破性进展的产品，由于前期高昂的研发费用，到现在也没能实现真正的盈利。

4、学科体系急剧改善，相关人才严重不足

据国内有关教育统计数据显示，芯片人才所学专业TOP5为电子信息工程（18.69%）、自动化（10.63%）、电气工程及其自动化（9.02%）、电子信息科学与技术（5.02%）和测控技术与仪器（4.97%），以上5个专业主要涉及芯片设计层面；而数学、物理等基础学科未在芯片人才所学专业TOP10之列。学科体系建设存在较大问题。

另外，工业和信息化部软件与集成电路促进中心(CSIP)《中国集成电路产业人才白皮书(2016-2017)》表明，目前我国集成电路从业人员总数不足30万人，但是按总产值计算，需要70万人，缺口约40万。

多学科交叉人才、企业研发人员、专业化市场人员严重不足，国内芯片人才特别是在企业从事产品开发的芯片技术人员极为缺乏。而反观美国英特尔公司则聚集了超过5万名相关工程师，差距巨大。

肆 微流控芯片行业竞争情况分析

1、行业集中度高，医疗电子占比较小

目前，我国国内供给能力不足，爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等跨国公司占据超过60%的市场份额，特别是高端产品几乎全靠进口补给，80%的芯片依赖国外；剩余的份额也只要集中在几家上市公司手中，如歌尔声学、水晶光电、汉威电子、士兰微和金龙机电等5家公司，占领国内MEMS市场的40%以上；国内MEMS企业中70%的是中小企业，产品主要集中在中低端。

 目前，中国MEMS传感器应用的前三名为分消费电子、工业控制和汽车电子，三者合计占据总市场份额的75%以上，医疗电子占比仅为9%。未来，医疗电子将向生物微流控系统加快渗透，在MEMS领域占比一席之地。

2、大企业的兼并收购行为将成常态

市场良性循环导至了跨国公司对微流控芯片专业公司的竞相收购。目前国外微流控芯片的专业公司包括Cepheid、BioFire、IQuum等，这些企业在其产品力成熟之时，先后被跨国公司收购：BioFire在2013年9月被梅里埃生物以4.5亿美元收购，IQuum在2014年4月被罗氏收购，Cepheid在2016年9月被丹纳赫以40亿美元收购。因此，目前微流控芯片技术主要由罗氏和雅培等大型跨国厂商主导。总体来看，微流控技术的发展不断吸引着资金投入到这个领域，形成了技术与资金相互充盈的局面。

3、国际国内市场主要参与者

国际上仍然将长期保持着几家独大的局面。在国内，近几年国内相关中小微企业发展迅速，技术创新型产品不断涌现，同时原有大企业也纷纷布局微流控芯片行业，整体呈现百花齐放的竞争态势。

3.1Alere（美艾利尔）

成立于2001年，总部位于美国波士顿，公司股票于纽约证券交易所上市（NYSE），股票代码为ALR，是全球心脏标志物POCT行业的领导者，在传染病、心脏标志物和毒理学即时检测领域占有较大的市场份额。其心脏标志物即时检测的代表性产品包括：Alere INRatio/INRatio2 PT/INR 血凝分析仪和Alere Triage® MeterPro（心血管、肾脏、毒理学的综合检测平台）。美艾利尔囊括了几乎所有诊断测试产品的专利，包括快速分析测试技术及医学传感器等。目前，美艾利尔集团为北美 、欧洲、大洋洲、亚洲如：中国、日本、以色列等100 多个国家提供高端的诊断测试产品。

3.2罗氏

成立于1896年，总部位于瑞士巴塞尔，是一家以研发为基础的全球健康医疗公司，拥有全球领先的制药和诊断业务。作为全球最大的生物技术公司，罗氏在全球体外诊断和基于组织的肿瘤诊断领域享有领导地位，同时也是糖尿病管理领域的先驱者。

3.3北京博晖创新光电技术股份有限公司

成立于2001年，是一家从事临床实验室诊断产品的研发、生产、销售以及售后服务的高新技术企业。2012年5月公司成功登陆深圳创业板，股票简称“博晖创新”，代码“300318”。

公司第三大平台为微流控分子诊断平台。2007年博晖创新与美国瑞昂公司（Rheonix）合资成立控股子公司——北京博昂尼克微流体技术有限公司，注资2500万元专门投入微流控前沿技术的研究开发，博晖创新负责后续的产品化、工程化研发和产业化实施。

3.4深圳微点生物技术股份有限公司

微点公司成立于2006年。公司总部设立在位于美国硅谷的Sunnyvale，中国总部设立在深圳，并在法国巴黎等地设立了办事处。致力于以MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械）技术为基础的Lab on a Chip系列产品的研发、制造和产品销售。

目前，微点公司的床旁即时诊断芯片和检测仪器为血管类疾病、肿瘤、急诊、手术及治疗过程的早期诊断及过程监控提供了高效、安全、精确、低成本的解决方案；创造性地建立了体外诊断床旁即时检测（POC）产品的通用诊断平台。多项创新技术已获得美国、欧洲、中国等多国专利；公司于2012年开发出全球第一款主动式微流控生物试剂卡，是全球仅有的掌握微流控生物芯片核心技术的两家公司之一（美艾利尔、微点生物）。

公司在心脏标志物POCT产品的细分市场中，处于领先地位，主要是与国际市场中该领域的龙头企业美艾利尔进行竞争；在凝血检测POCT 产品技术领域，处于全球领先地位。主要竞争对手包括罗氏和美艾利尔。2017年1月正式挂牌新三板，证券代码：835054。

3.5天津微纳芯科技有限公司

微纳芯成立于2010年8月，成立之初即获联想之星1500万天使投资，微纳芯成为国内最早将微流控芯片技术应用在医疗领域的探路者，其系列全自动生化分析仪持续为医师、兽医师的机构运营提供解决方案。

公司核心团队来自美国麻省理工学院、德国海德堡大学、中国科学院等知名院校和科研机构；2014年，荣获“国家高新技术企业”称号。截至2018年，微纳芯已向全球50多个国家、地区输出产品与服务。

2015年1月完成由君联资本、联想控股联合投资数千万人民币的A轮融资。

3.6北京纳迅科技股份有限公司

成立于2010年9月，拥有1000平米的研发及洁净生产车间，是一家专注于体外诊断试剂及仪器、食品安全快速检测的生物科技公司。业务聚焦食品安全检测、动物疫病、实验室安全、免疫检测等领域，建立起了微流控芯片技术、荧光免疫层析技术、免疫亲和柱技术、酶联免疫技术（ELISA）、PCR技术等平台。

纳迅科技和纳米中心微流控技术专家合作研发出了国际首创的纳米纤维素修饰微流控芯片技术，并取得了12项相关发明专利。于2015年3月被认定为中关村高新技术企业。

3.7苏州汶颢微流控技术股份有限公司

公司于2012年04月06日成立，是一家留学人员回国创业的高新科技企业，集研发、生产、销售为一体。

公司建立了完备的微流控芯片研发与生产中心，配置了三条微流控芯片生产线，包括数控CNC微加工仪器，软刻蚀有机芯片加工系统，光刻-掩模无机芯片加工系统，可以加工生产所有材质的芯片，如玻璃、石英、硅、PDMS和PMMA等。产品涵盖集成式通用医疗诊断芯片、集成式通用环境保护分析监测芯片、集成式通用食品安全分析检测芯片和基于微流控芯片的新能源体系四大系列数十个品种，以及各类科研类芯片，并在生物芯片和化学芯片领域一直保持技术和研发的领先地位，拥有81项知识产权，其中：已申请发明专利65件、实用新型专利7件，注册商标2件，登记软件著作权7件。

3.8北京百康芯生物科技有限公司

北京百康芯生物科技有限公司成立于2013年,总部位于北京市海淀区。公司依托于微流控芯片和基因检测技术，致力于自动化核酸检测系统研发并；针对传染病和遗传病市场，推出有关产品，以解决传统核酸检测技术不封闭、不自动、不安全的缺陷。

目前公司产品线系列有：iTest微流控快速检测系统、iTotal微流控全集成核酸检测系统，iRT手持式荧光定量PCR仪，配套多种试剂盒；2014年其产品iTest检测系统曾被用于非洲塞拉利昂埃博拉疫情中。

2017年11月公司完成知名医疗投资基金的4100万人民币A轮融资；2018年01月完成萍乡济峰投资、萍乡济峰投资、蹑景投资、险峰长晴A+轮融资；2019年8月完成由国药资本领投，济峰资本、险峰长青跟投的6500万人民币B轮融资。

3.9上海速芯生物科技有限公司

公司于2013年08月21日在虹口区成立，依托复旦大学、浙江大学和香港科技大学等高校科研力量，立足于分子检测和微流控芯片技术，面向医疗诊断、公共卫生、食品安全和检验检疫等领域开发系列产品，实现快速、现场的分子精准诊断，是一家产学研转换的高新科技类企业。公司专注于微流控创新产品研发与应用，已通过ISO13485国际医疗器械质量体系认证和中国CFDA体外诊断质量管理体系考核。

2015年完成天使轮融资。

3.10融智生物科技（青岛）有限公司

公司成立于2013年9月，是主要从事快速基因分析及微生物蛋白分析高端仪器研究的公司，与中国农业大学、中国科学院等多家科研机构建立了联合实验室。在2018年获评“德勤中国明日之星”企业。

目前已拥有“宽谱定量飞行时间质谱（新一代基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱）”及“微流控芯片核酸快速分析”两大技术平台。其自主开发的微流控qPCR广泛适用于临床检验、疾病防控、食品安全、动物养殖业、分子生物、法医鉴定、科研等领域。

2016年3月完成仙瞳芳晟的天使轮融资；2017年3月完成和盟创投、正心投资的A轮融资；2017年12月完成由正心投资、厚生投资的B轮融资；2019年3月完成几千万元B+轮及C轮融资；2019年8月完成由金阖资本、凯辉基金亿元以上人民币的D轮融资

3.11绍兴普施康生物科技有限公司

公司坐落于浙江省“绍兴滨海新城”的科技创业园内，由留美博士于2014年4月创建。      是一家立足于体外诊断（IVD）的高新技术企业，公司利用国际领先的微流控盘式芯片平台技术，结合独创的微量全血分离功能，研发适用国情的凝血、免疫、生化、分子诊断试剂盒及新型配套检测系统。

目前，公司已经建立和完善了以血凝和化学发光为核心的两大微流控技术平台，在此基础上开发相应的检测仪器、微流控盘式芯片和配套诊断试剂。其微流控盘式芯片领域的技术国内领先，已申请国际、国内专利40多项。

2015年1月获台湾知名上市公司─均豪精密仪器股份有限公司500万风险投资；2017年，完成涌铧投资的A轮融资，具体金额未透露。

3.12深圳华迈兴微医疗科技有限公司

公司于2014年12月正式成立，由归国专家及16年IVD技术经验的资深专家创立。致力于医疗器械即时诊断设备(poct）化学发光免疫分析仪以及配套的心血管疾病标志物试剂卡的研发、生产与销售。已经推出全球第一款微型化学发光系统及其配套的多层复合微流控化学发光芯片，主要开发了应用于心脏标志物检测的检测设备。其临床产品线已经进驻国内100多家医院机构，广泛应用于心内科、急诊科、心衰中心、胸痛中心等科室或中心。

在2015年和2016年公司分别获得了数百万和数千万的天使轮、A轮融资，投资方包括元禾控股、中兴合创与凯盈资本、达晨创投；2018年4月完成由盈泰泓康创投领投，上海博威益诚投资、山东江诣创投跟投的5000万A+轮融资；2019年7月完成由国中创投独家投资的数千万元B轮融资。

3.13深圳创怀医疗科技有限公司

公司于2016年04月26日成立，总部坐落于深圳国家生物医药创新产业园。是深圳市政府与著名医疗投资机构共同投资、海外留学专家组建，中国领先的医疗微流控芯片技术公司，专注于微流生物芯片传感器及集成分析仪器开发制造及移动医疗应用技术。

公司在成立一年时间内连续推出四款全球首创的微流控分析仪及芯片产品，实现销售与订单数千万元，并获得全球知名的德国红点与IF医疗产品设计大奖。在国内，2016年度获中国创新大赛全国总决赛冠军金奖，2018年获中国医疗创新创业大赛全国总决赛一等奖。

就融资情况来看，2016年9月获仙瞳资本2000万人民币的天使轮投资；2018年12月完成华大基因奇迹之光基金领投，祥晖资本跟投的数千万人民币A轮投资；与此同时，2018年10月10日，中国国家发改委中国投资协会与创怀医疗签约长期战略投资与合作协议。

伍 微流控芯片技术发展趋势

1、基于液滴微流控的超高通量筛选技术将对新药研发、生物工程酶的改进、结构生物学研究起到关键的推进作用；

2、微流控技术将成为单细胞分析的核心工具，促进单细胞基因组学、蛋白组学、代谢组学的发展，从单细胞层次揭示新的分子机制、信号传导和代谢通路；

3、以数字PCR芯片和循环肿瘤细胞CTC捕获芯片为代表的新型“液体活检”诊断工具，将可能突破当前癌症早期诊断和术后疗效评估存在的技术瓶颈，成为新的癌症诊断标准；

4、器官芯片和人体芯片技术的继续发展，可能在芯片上构建用于药物研究的仿生人体，从而显著降低当前新药研究成本和研发周期；

5、当前，微流控纸芯片的主要申请人集中在高校和科研院所，产业化程度较低。在微流控纸芯片在成本和性能之间取得了较好的平衡之时，基于其优异性能，其将大规模产业化。除此之外，喷蜡打印法将继续作为微流控纸芯片的主流处理技术；                       

6、未来几年内，微流控芯片将与“生物手机”、“互联网+”进一步结合，出现一个由一种新兴技术引发的可能具有全局性影响的行业或许成为可能。