本月捷克研究人员开发出一种生物芯片，可以用于检测导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒。该项课题的研究小组组长表示“在这一研究结果出现之前，该小组一直致力于开放用于检测其他病原体的生物芯片，如引起肝炎或大肠杆菌的病原体。”新冠疫情的全球大流行，让他们想尝试用生物芯片去检测SARS-CoV-2病毒。

这款芯片可以特异性捕获COVID病毒，通过与病毒RNA中的N蛋白结合形成复合物，从而释放出信号。目前病毒检测使用的PCR检测的步骤主要为：1.准备反应体系，包括扩增缓冲液、dNTP混合物，引物，模版DNA，Taq DNA聚合酶等。2.根据扩增对象制备模版。3.在缓冲液中加入引物经过DNA变形、退火、延伸后样本扩增。4.进行检测，方法有电泳法、荧光探针等。PCR的流程决定这种方法需要一定的检测的时长；同时为了避免出现污染，操作失误，PCR检测还需要在洁净的环节由专业人士进行操作。而如果通过生物芯片进行检测，会加快检测结果的出现，同时降低检测门槛。

随着生物技术与集成电路技术的共同发展，生物芯片市场正在不断扩大，除了检测新冠病毒，生物芯片在医疗行业已经有了广泛的应用。

在芯片上的千亿实验室

生物芯片是从MEMS技术发展而来，最初是在硅、玻璃等材质的基片上加工出微米至亚毫米级的微结构单元，然后配合相关器械完成生物实验的相关需求如提取、扩增、分离或细胞的培养、处理等。早期的微流控芯片被认为是一种分析化学平台，也因此曾被称为“微型全分析系统”。美国的Affymetrix公司在1992年开发了世界上最早的生物芯片。

生物芯片也被称作“微控流芯片”，它是一种由数百万个生物传感器组成的“芯片实验室”（lab-on-chip，LOC），其工作原理相当于把一间实验室的各种器械同时缩小，然后把需要整个实验室完成的一套流程集中到小小的芯片上。

根据赛迪数据，2019年全球生物芯片市场规模达到970.2亿元，调研机构RESEARCH AND MARKETS预计生物芯片市场在2020-2025年将以15%的CAGR增长，到2025年将有望接近2000亿。

生物芯片的技术细分

一个完整的生物芯片至少要能完成生化反应和信号传感，并且把相关信号能通过某种方法传输到外界。

传感器可以说是生物芯片的核心技术，它决定了生物芯片能参与什么样的生化反应，能检测什么样的信号，这就直接决定了生物芯片能应用的领域。生物芯片的传感部分使用的器件会和传统的CMOS有所不同，例如之前我们提到的DNANudge的生物芯片的核心技术就是ISFET（Ion-Sensitive Field-Effect Transistor，对离子敏感场效应管），ISFET可以通过检测溶液中的离子浓度来实时测定pH酸碱度。而pH值在许多生化反应中都是一个非常重要的信号，通过检测pH值可以测定生化反应的过程。举例来说，在PCR反应中，根据pH值可以检测样本中是否含有某种病毒的特定基因链段，从而使用ISFET就可以做生物芯片来检测病毒基因片段。DNANudge推出的生物芯片产品可以检测新冠以及多种流感病毒，从而大大加大病原体检测的吞吐量。

ISFET结构图

除了ISFET之外，石墨烯和碳纳米管也是使用在生物芯片中的热门器件。例如，石墨烯可以制作柔性传感器并监控汗液内的特定化学物质浓度，从而实现无侵入式生化指标持续监控，为慢病患者的健康管理带来福音。石墨烯和碳纳米管作为下一代半导体材料和器件的代表，其作为传感器也拥有许多优良的特性，而生物芯片中石墨烯和碳纳米管的广泛应用势必将大大增加这些下一代材料和器件的落地速度。

石墨烯制作的柔性汗液生物传感器

数据传输也是生物芯片中的重要部分。为了实现长期可佩戴检测，生物芯片中的数据传输部分需要功耗非常低，以避免电池成为限制生物芯片的瓶颈。这些数据传输技术有多种可能的技术路径，例如可以通过被动数据传输（即生物芯片根据传感结果调整天线的反射阻抗，这样手机等主设备可以根据反射信号的幅度和相位来判断生物芯片的信号，从而避免生物芯片主动发送数据带来的能量消耗），或者通过事件触发式数据传输（即仅仅在生物信号超过某个阈值范围时才会触发数据传输，这样在绝大多数数据正常时不会有数据传输，从而节省能量），或者从环境中获取能量（例如从佩戴者运动的机械振动中获取能量，或者从佩戴者汗液中提取化学能）等。这类低功耗数据传输电路也将成为生物芯片的重要技术门槛。

被国外企业高度垄断的生物芯片市场

除了应用广泛，研究生物芯片的重要性在于其在医疗领域的发展意义，是真正可以造福人类的产品，这也是生物芯片市场迅速成长的关键原因。

然而生物芯片的特点导致发展生物芯片研发、生产的门槛都很高。从研发层面来看，生物芯片的研究需要基于多个学科的知识，如生物、化学、医学、物理、电子、材料、机械等。而在生产层面上，生物芯片的材料选型相对于普通电子芯片还要考虑材料的生化特性；合理化设计阀、液路、反应池等微单元材料从而实现量取、顺序混合反应等功能都是生产中会面对问题。

从目前全球生物芯片相关专利数量来看，美国拥有最多的相关专利，属于绝对领先。中国生物芯片目前还主要应用于生物信息等科研领域，市场份额仅占全球市场的5%。

国外市场生物芯片主要市场是面向药厂、研究机构，产品主要为药物筛选、基因组合等。例如美国赛默飞世尔科技公司（Thremo Fisher），在2016年收购了Affymetrix，以开发用于细胞转染、神经生物学和干细胞研究的试剂。Affymetrix正是开发出第一片生物芯片的公司。

对于人口众多的我国，利用生物芯片进行诊断则有着更大的潜力。依托清华大学和生物芯片北京国家工程研究中心的博奥晶典也在遗传病诊断、产前筛查与诊断、肿瘤诊断等领域取得了一定成果；同时延伸出了健康管理、司法鉴定、农林畜牧和食品安全领域的产品。今年10月杭州领挚科技完成Pre-A轮投资，领挚的产品主要为TFT半导体生物芯片，是生物领域多元化的耗材类芯片。今年2月苏州含光维纳科技有限公司则完成了B轮融资，其产品主要用于POCT、基因测序等领域。国内厂家晶能生物、中鼎玉铉也可以提供生物芯片产品。

2016年“十三五”相关文件中提到，体外诊断产品要突破生物芯片；同时加速发展体外诊断仪器、设备、试剂等新产品，推动生物芯片的发展，支撑肿瘤、遗传疾病及罕见病等体外快速准确诊断筛查。可以说，生物芯片已经成为重点发展的学科之一。

虽然我们看到，无论是国内还是国外的生物芯片市场上，主要玩家都不是耳熟能详的芯片公司，更多的是医疗相关公司。但多家芯片巨头已经围绕生物芯片展开了布局，如英特尔、摩托罗拉、IBM、惠普等。生物芯片，是一个潜力无限的市场，更是一项为国为民的伟大事业。

“生物医药芯片”的国产替代

在生物医药、检测试剂的研发与生产中，抗体堪称重中之重。

对于高校、研究机构的生物基础研究者来说，只有利用抗体进行实验，才能明确各个蛋白的互作关系，明确疾病机理，从而找到可以用于治疗的靶点；

对于药企、CRO的医药研发者来说，抗体不仅是一种重要的药物类型，更是药物发现过程中不可或缺的工具；

对于IVD企业的免疫检测产品开发者来说，寻找到合适的抗体是研发过程中的重要阶段性目标之一，而在研发完成后，抗体也是免疫检测相关试剂盒生产环节的核心原料。

正是出于这种原因，抗体试剂也被誉为 “生物医药领域的芯片”，立足于整个行业的最上游。

然而这样一个关键性产品，其市场至今却仍由外国厂商控制。

目前，我国抗体试剂市场以欧美品牌为主，Abcam、默克和赛默飞世尔等进口产品市占率合计达 90%，而国产试剂只占有9.8%的市场份额，且大多布局中低端领域，无法满足高速发展的国内生物医药需求。

而2020年疫情以来，由于检测试剂需求的爆发，作为原料的抗体产品价格迅速上涨，更是让相关企业意识到了打通上游的必要性。今年5月，迈瑞医疗决定以5.32亿欧元（约合40亿元人民币）收购荷兰HyTest Invest Oy（交易于9月完成），便是为了掌握上游产品，以求供应链的稳定。

抗体试剂的国产化，可以从上游给整个生物医药行业带来创新驱动力，可以降低中国医疗基础研究与产业发展的成本，更可以保障中国生物医药产业链的安全，这一领域的国产替代具有先导性、必要性和紧迫性。

如此情形之下，以爱博泰克为首的抗体试剂国产替代公司受到重视并连续获得融资，也是情理之中。

实际上，类似的现象不止出现在抗体试剂方面。中国医疗产业上游，正迎来国产替代浪潮。

国产替代的隐秘战争

近年来，中国的生物医药在资本领域迎接了前所未有的风潮，成为了市场上的宠儿。

然而在光鲜的表象之下，中国生物医药上游产业链空缺大、生产研发依赖外国产品、持续发展缺乏保障的问题逐渐显现。

不过随着问题的凸显，投资机构也迅速意识到了这一问题背后的巨大机会。

今年3月，拥有培养基生物技术的CDMO企业澳斯康生物制药完成超4亿人民币的C轮融资，由中国国有资本风险投资基金（简称“国风投基金”）和高瓴创投联合领投。

今年7月，生物制药一次性使用系统提供商金仪盛世宣布完成B轮融资，融资金额达到数亿元人民币，由招银国际资本领投。

从大型的制药设备、反应器到抗体试剂、培养基，一家家国内医疗上游的“小巨头”正被投资者们重新发现。而今年重组蛋白和抗体等科研工具试剂公司义翘神州（301047.SZ）、靶点用蛋白试剂开发公司百普赛斯（301080.SZ）的接连上市，也给这一投资方向再添几分热度。

值得一提的是，在这些投资当中，国有资金多次出现。无论是在金仪盛世、爱博泰克融资中领投的招银国际，还是在澳斯康融资中领衔的国风投，都代表了国家对医疗产业发展的引导力量。

这些国家资金的直接投入，除了单纯的资产增值目的以外，对产业整体发展提供资金支持、为国内行业产业链安全提供保障的意味同样明显。

而对于普通投资机构，投资这样一家上游公司，不仅能另辟蹊径地找到存在巨大发展机会的标的，还有机会提升“募投管退”中“管”的能力，为旗下的其它公司提供更好的上游产品选择，从而更好地打造机构自身的专业性和整体竞争力。

生物芯片未来预期

随着大健康概念深入人心，生物芯片无论是在可穿戴设备还是在医院的检测设备上都会得到大量应用。我们对长期非常看好生物芯片的前景，但是在中短期内生物芯片也有一些瓶颈需要克服。

生物芯片发展需要克服的第一个瓶颈就是新的半导体器件的量产问题。目前来看，ISFET已经能实现小规模量产，但是石墨烯、碳纳米管等在生物芯片研究中常常出现的下一代半导体器件和材料落地尚需时日，如何在传感器功能和半导体器件/材料量产成熟度之间做取舍将是决定生物芯片何时能落地的重要课题。

第二个瓶颈是如何把生物芯片的技术环节全部打通。如前文所讨论的，生物芯片在芯片领域就包括了传感器和低功耗数据传输两大环节，而在芯片之外，更是涉及许多生物医药相关的重要环节，因此如何能把这些都打通也是生物芯片能真正得到应用的重要门槛。

中国的生物芯片总体来看还处于起步阶段。我们认为，中国在生物芯片的研究领域，例如生物传感器，以及用于生物芯片的低功耗传输电路设计部分都处于全球前列。例如，中国的碳纳米管技术研究处于全球前列，北大关于碳纳米管量产的论文在不久之前登上了全球顶级期刊；在低功耗数据传输方面，清华、复旦和电子科大等也都有漂亮的研究工作。然而，目前这些领域还处于各自为政的状态，如果想要在国内将生物芯片真正落地来提高人民群众的健康水准，还需要一些能将临床研究、生物传感器和低功耗电路能统一起来的项目，这样才能真正打通生物芯片落地的各个环节。此外，目前中国尚缺乏这类针对新兴工艺的半导体代工厂支持，如果中国能参考美国的SkyWater模式由政府牵头做一家能为需要新型半导体传感器的产学研转化做工艺开发和中小规模代工的代工厂，我们相信将会为生物芯片在中国的发展带来巨大的支持。

本文来源：钛媒体APP，半导体行业观察，·晨哨并购