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摘 要：本文基于专利分析的方法，对4D打印智能材料的发展现状和发展趋势进行研究。从专利的视角揭示4D打印智能材料产业技术创新态势，并通过对产业的专利整体申请态势、技术研发方向、技术分布、主要申请主体以及行业领军人物等维度进行量化分析与总结得出我国申请数量处于领先地位，专利呈现加速发展趋势；申请人集中，外部合作少，尚未形成完整的全链条研发体系；现阶段行业技术研发主要集中在医疗领域，技术创新程度偏低且缺乏活力，技术研发方向集中，核心技术能力不强。研究结果表明在智能材料领域应保持专利数量优势，不断提升专利质量；加强企业间合作，推进产学研深度结合；瞄准核心技术，深化技术研究。

关键词：专利分析；技术发展趋势；4D打印技术；智能材料

自20世纪80年代末以来，3D打印技术逐渐普及，在工业机械、航空航天和医疗器械领域作出重大贡献，全球增材制造产值达289亿美元。2013年2月来自美国麻省理工的Skylar.Tiberts在TED大会上首次提出4D打印技术的概念，他演示了将一段绳状物放入水 中后，该物体能自动折成MIT字样的立体结构［1］。将SMP与3D打印技术相结合，利用SMP这种具有形状记忆功能的“智能材料”进行3D打印形成的4D打印应技术运而生。4D打印技术是在3D打印技术基础上引入了时间作为第四个维度，实现了3D打印结构在外界刺激（如热、电、磁、光，湿度等）下，其形状、性能和功能随着时间发生特定的转变，增强材料的功能性和自适应能力，减少智能结构及器件应用上的限制。专利作为科技创新的重要载体，其申请情况直接反映了4D打印技术发展水平。在此背景下，探究和分析4D打印技术发展现状、技术演进趋势，为该行业机构提供依据，实现跨越式发展。

1.形状记忆高分子的简介

形状记忆高分子（ Shape memory polymer，SMP） 是指在外界刺激（如热、光、电、磁等） 条件下能对其自身的状态参数（如形状、位置、应变等） 进行调整，从而恢复到初始设定状态的一类高分子材料［2］。

4D打印需要智能材料使打印过程成功工作，智能材料被市场认为是水凝胶和形状记忆聚合物，智能材料赋予打印器件不同的功能，它可以通过改变形状、颜色、透明度、愈合等性能［3-5］，来满足人们不同需求。

2.数据的获取

本文选择智慧芽全球专利数据库来搜集数据。从数据库官网得知智慧芽全球专利数据库包含1.7亿专利数据，涵盖164个国家和地区。根据国际专利分类法（international patent classification ， IPC）以及4D打印智能材料关键词确定检索式并进行专利检索，检索式为（（TA：（“形状记忆聚合物”） OR TA：（形状记忆智能材料） OR TA：（水凝胶） OR TA：（Shape memory polymer） OR TA：（SMP） OR TA：（hydrogel）） AND （（3D打印） OR （4D打印））），截止时间为2023年12月31日，获取相关数据后进行数据清洗和去噪，检索下载的原始数据中含有与本研究主题无关的数据，需要研究内容删除 无关项。本研究涉及自导引车技术领域，在浏览初始数据时发现检索结果中包含 自动导引车在某些工业、农业生产系统应用，但与自动导引车技术不相关的专利噪声主要集中在“装置”上，于是检索式改为（（（TA：（“形状记忆聚合物”） OR TA：（形状记忆智能材料） OR TA：（水凝胶） OR TA：（Shape memory polymer） OR TA：（SMP） OR TA：（hydrogel）） AND （（3D打印） OR （4D打印）））NOT （装置）），得到4D打印智能材料专利共计1539件。

2.专利申请趋势分析

2.1技术生命周期分析

在技术引入期，申请量的增长速度略高于申请人的引入速度，这表明在领域初期，有限的申请人已经开始意识到该技术的潜力，并积极投入到相关专利申请中。随着时间的推移，更多的研究者和机构加入，申请量逐渐增加，但增长速度开始趋于平稳。在中后期，申请人的速度逐渐与申请量的速度持平，这表明技术的引入已经相对稳定，领域内的参与者数量和相关专利申请数量达到了一种动态平衡状态。此时，申请人与申请量都呈现稳步增长的态势，这进一步说明了该技术处于生长发展的状态，仍具有较大的发展潜力和市场空间。

2.2技术申请量分析

近十年，4D打印智能材料领域专利申请量整体呈现逐年递增的态势，见图2。根据专利申请量、申请量递增还要趋势拐点，可将2013年至2023年4D打印智能材料技术发展分为缓慢发展期、波动调整期和快速发展期。

2013年至2015年4D打印智能材料专利申请量总体呈现上升趋势，可以将这段时间定义为缓慢发展期。中、美两国的申请量最多，呈现出较为明显的区域聚集性。主要申请人有清华大学、哈尔滨工业大学、实体科学公司、湖北工业大学和中山大学等，其他申请人的专利申请量较少且表现较分散的局面，该时期的研发目标集中在制备快速成型形状记忆高分子材料的方法。

2016年至2020年4D打印智能材料专利申请量总体呈现波动形态，此段时间可定义为波动调整期。主要申请专利的国家是中国，专利申请总量660件、这一时期4D 打印材料在生物医疗领域方面取得重大突破，血管支架、气管支架、细胞生长支架、骨支架、心脏支架、药物释放、义乳、仿生元件等方面的专利成果占全球专利申请量的八成以上。主要申请人包括浙江大学、华南理工大学、中国科学院兰州化学物理研究所、吉林大学、佐治亚理工学院、密歇根大学、麻省理工大学等。2021年开始4D打印材料迎来快速发展期，该时期研发方向呈多元化发展。医药科学、气候可持续性、生物化学仪器等皆是主要研究方向，我国在4D打印技术材料研发方面处于领先地位的局面。2022年申请量达到峰值，为286件，随后下降。原因之一是专利从申请日到公布日需满 18 个月，二是近年来我国专利申请由追求数量向提升质量转变。

2.3技术分布分析

由图2可见，从全球技术产出地域来看，我国4D打印技术智能材料专利申请总量最多，占比达到97.9%，其余极少数专利技术分布在美国、新加坡、韩国、比利时等国。由此可见，中国是4D打印技术智能材料创新最活跃的国家，这与中国科技实力占据世界前沿相匹配。

2.4技术申请主体分析

近十年来，我国4D打印智能材料产业专利申请整体呈现明显增长态势，从2013年的2件到2022年的286件，增长了143倍。4D打印是基于3D打印产业的衍生的新业务，2021年3月，国务院发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，明确了发展增材制造在制造业核心竞争力提升与智能智能制造技术发展方面的重要性，将增材制造作为未来规划发展的重点领域。2022年4月，科技部发布《“十四五”国家重点研发计划重点专项2022年度项目申报指南》，提出“增材制造与激光制造”重点专项2022年度项目申报指南，涉及21项增材制造指南任务；“先进结构与复合材料”重点专项2022年度项目申报指南建议，其中3个项目涉及到了增材制造相关技术；“高端功能与智能材料”重点专项2022年度项目申报指南建议，其中1个项目涉及增材制造相关技术。根据国家发展和改革委员会产业司修订发布《产业结构调整指导目录（2024年本）》，涉及3D打印（增材制造）方向全部被列入鼓励类，4D打印作为3D打印更深层次的运用，对于推动突破核心关键技术、促进技术发展具有十分重要的意义。4D打印技术创新成果较为集中，主要申请主体几乎全部为院校或研究所。主要申请人排名前三的专利申请主体分别是浙江大学、哈尔滨工业大学和中国科学院兰州化学物理研究所，三者申请量占总申请量的9.5%，其中发明专利占比70.5%，主要是增材制造技术和医学材料物质的加工方面的专利。发明人几乎全部从属于我国院校或研究所，排名前10的发明人专利申请数量差距较大。由此可知，院校或研究所会投入更多资源用于研究和开发，高校的学术评价体系可能与专利申请数量相关联。企业更注重商业化和市场竞争，更注重将技术转化为商业应用，并且更有能力进行技术转移和市场推广，通过申请专利来保护其研发的技术，以便在市场上获得回报。企业与高校、研究所等机构的合作与技术支撑较少，产业主体合理程度较低，不利于实用新型专利的研发，建议在今后的技术创新过程中加强产学研合作，引入不同的创新主体扩展研发领域。

2.4专利公开类型

专利公开类型对于理解知识产权保护体系以及创新领域中的法律和政策具有重要意义。在4D打印智能材料研发领域发明申请的专利占据主导地位，实用新型专利的研发最少。法律和政策的影响和技术领域的特点导致类型差距巨大的主要原因。4D打印技术智能材料领域更适合申请发明专利，因为其创新更加复杂和深入，简单的技术改进更适合申请实用新型专利。国家政策对于发明申请的专利保护时间更长。

2.6技术研发方向分析

本研究结合所检索到的数据，采用申请量排名前10的IPC分类号作为主分类号来分4D打印智能材料产业技术创新领域。

A61L材料或消毒的一般方法或装置；用于绷带、敷料、吸收垫或外科用品的化学方面。

C08J 加工；配料的一般工艺过程。

C08F仅用碳-碳不饱和键反应得到的高分子化合物。

C08L高分子化合物的组合物。

B29C塑料的成型连接和已成型产品的后处理，4D打印技术中主要涉及形状记忆聚合物的增材制造。

C12N微生物或酶；其组合物；繁殖、保藏或维持微生物；变异或遗传工程。

A61F可植入血管内的滤器，假体；为人体管状结构提供开口、或防止其塌陷的装置，例如支架；整形外科、护理或避孕装置；热敷；眼或耳的治疗或保护；绷带、敷料。

C08G用碳-碳不饱和键以外的反应得到的高分子化合物。

A61K医用、牙科用或化妆用的配制品（专门适用于将药品制成特殊的物理或服用形式的装置或方法。

C09D涂料组合物，例如色漆、清漆或天然漆；填充浆料；化学涂料或油墨的去除剂；油墨；改正液；木材着色剂；用于着色或印刷的浆料或固体；原料为此的应用。

基于检索所得专利绘制IPC比例图（见图8）。由图可知，A61L占总比40%，C08J占总比21%，C08F均占总比10%，C08L占总比7%。A61L和C08J占据所有专利数的62%，说明目前中国市场上，4D打印智能材料发展的发展方向集中于化学用品、工艺过程、高分子化合物等领域，目的在于使智能材料具有良好的生物相容性、提高力学性能和降低操作成本，主要应用于生物医疗领域。

2.7专利技术分布呈现区域分析

本研究的4D打印智能材料专利技术主要分布在中国，1549件专利中有1498件是在中国申请的，这与中国是技术先进国的地位相匹配。

我国专利申请量排名前十位地区的如图所示，专利技术分布呈现出区域发展不均衡的特点，不同区域的专利申请量存在明显的差异。广东、江苏、浙江、上海、北京5个地区4D打印智能材料专利申请数量最多，这些地区均是中国经济发达地区，在科技创新和产业发展方面表现突出，拥有众多高新技术企业和研发机构，是国家创新驱动发展战略的重要支撑。主要研发方向是A61L、C08J、C08F和C08F，说明我国在4D打印智能材料研发领域与全球技术研发方向一致。其他区域的专利申请量在70到50个之间，呈现出一定的差异性，但差距不明显。

3.研究结论

3.1专利数量领先，

（1）我国申请数量处于领先地位，呈现加速发展趋势

我国在4D打印智能材料领域的发展呈现出了一定的领先优势，并且正在经历着持续加速的发展趋势。根据专利的发展趋势，该领域技术发展经历了“缓慢发展期-波动调整期-快速发展期”，预计中国的4D打印技术智能材料领域将会快速增长，并处于主导地位。这一趋势表明了中国在4D打印智能材料领域的持续关注和强劲发展态势。

（2）申请人集中，外部合作少

我国院校或研究所申请人呈现活跃态势，申请人外部合作较少，产业主体合理程度较低。产业生态刚刚起步，“应用基础研究-关键技术开发-成果应用-市场推广”的全链条研发体系尚未建成，企业与高校、研究所等机构的合作与技术支撑较少，缺乏成熟的产业化技术路线和市场化推广模式，导致很多研究成果无法快速转化为实际生产力。

（3）技术研发方向集中，核心技术能力不强

整体来看，当前4D打印技术智能材料仍处于技术成长期，在核心的医疗领域创新度最高，在航空、机械制造等领域研发相对欠缺。关键技术的创新还有待提升，需要加强对核心技术的深入研究和突破，以推动4D打印智能材料技术的全面发展。

4.对策与建议

4.1保持专利数量优势，不断提升专利质量

立足于4D打印技术智能材料行业发展特点及总体经济形势加强产业顶层设计，推动“质”与“量”齐头并进。从目前国内外的专利申请量来看，关于智能材料的研究偏少，这将限制4D打印技术的应用范围，智能材料的开发研究是4D打印技术的重点。4D打印智能材料的研发起源于2013年，属于全新领域，未来存在明显的进步空间。政府部门应积极展开宣传，深入挖掘利用自主核心专利获得高质量收益的成功案例；各审查部门严格把控专利审查质量，避免重数量轻质量的倾向；专利申请人根据市场需求和行业趋势，调整智能材料的研发方向和产品定位，开发出符合市场需求的智能材料产品，提升技术的市场竞争力。

4.2加强企业间合作，推进产学研深度结合

一是各地区间要积极转变观念，认识到合作带来的优势，积极寻求合适的合作伙伴，交流共享技术，共同寻求技术创新，不断提高专利质量。同时，也应注重同国外先进同行展开交流合作，主动融入到全球专利合作中，吸收先进技术，吸收消化后展开自主研发，争取实现更大的技术突破。

二是研究院校与企业间的深度合作，既能有助于企业技术创新，又有利于提高科研转换成果，避免重复研究。浙江大学、哈尔滨工业大学、中山大学等高校在申请人维度指标中排名靠前，也带动了整个地区的研发强度，但科研成果转换率不高。加强产学研合作，使整个产业主体合理化，形成完整的产业链条、

4.3瞄准核心技术，深化技术研究

医药科学和制造工具是专利应用的主要领域，在假体、组织再生、医药配方等应用的分支上有较多研发投入，取得了较大的成效。在材料的选择、成型工艺、智能响应机制等方面的研究还需要进一步加强，以提升4D打印技术的可靠性和实用性。4D打印智能材料的研发和应用还缺乏统一的标准体系，这导致了材料性能评价、生产工艺规范等方面存在一定的混乱和不确定性，影响了行业的发展和规范化。国内申请人需要认真梳理核心关键技术与核心产品，瞄准智能材料核心技术，进行专利布局，构建严密的专利布局网络，积极应对市场竞争。

参考文献

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[3]ZHANG Fenghua，XIA Yuliang，WANG Linlin，et al． Conductive Shape Memory Microfiber Membranes with Core-Shell Structures and Electroactive Performance[J]．ACS Applied Materials ＆ Interfaces，2018，10（ 41） ： 35526．DOI： 10．1021 /acsami．8b12743

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[5]INVERNIZZI M，TURRIS，LEVI M，et al．4D printed thermally activated self-healing and shape memory polycaprolactone-based polymer[J]． European Polymer Journal，2018，101： 169．

作者简介：刘易敏（2001.08.27），女，回族，河南禹州人，在读研究生，延边大学，研究方向：物流管理