基于文獻計量學分析水凝膠在骨再生中的應用*

戴卓，李強，張玉，丁夢，吳穎芳，董衡

（1.南京大學醫學院附屬口腔醫院，江蘇 南京 210008；2.中南大學湘雅醫學口腔醫學中心，湖南 長沙 410008）

骨組織作為人體最重要的礦化結締組織，具有支持運動，為肌肉和其他軟組織的黏附提供支架，保護內臟器官免受損傷，容納骨髓以產生血細胞，以及保持鈣和磷酸鹽的內穩態等重要功能［1-4］。骨組織本身具有良好的自愈和再生能力，然而，當缺損范圍較大、伴發全身其他系統疾病、受遺傳因素或不良習慣（如酗酒或吸煙）等因素影響時，骨組織的自愈能力則不足以產生足夠的骨再生來實現自我修復［5-7］。因此開發新的方法促進骨組織再生迫在眉睫。

目前臨床最常見且有效的骨缺損修復方式是通過自體骨、同種骨、異種骨或人工骨進行骨再生［8］。自體骨主要取自患者自身的腓骨、髂骨、下頜骨或顱骨，被認為是治療方法的“金標準”［9］。然而，由于取骨術區骨量有限，手術并發癥高，阻礙了自體骨移植的推廣應用［10］。同種骨移植也被稱為同種異體骨移植，可在骨組織庫中獲得，而異種骨移植則來自非人源物種，例如小牛骨［11］。盡管在臨床上得到了廣泛的應用并取得了一定的骨再生效果，但同種異體或異種骨移植材料只具有骨傳導作用，其本身促進成骨的效果欠佳。

水凝膠是一種親水性聚合物支架，具有優秀的生物相容性、良好的生物降解性和優異的機械強度。此外，水凝膠可以作為藥物或細胞載體來促進骨再生，并且可以通過調節交聯的方法、程度或組成來控制降解速率和孔隙率［12］。這些優勢均使得水凝膠在骨再生領域具有巨大的潛力。分析水凝膠在骨再生領域的研究現狀和趨勢，有助于研究人員和機構更好地把握科研投入方向，加快該領域的研究步伐和臨床轉化效率。

文獻計量學通過數學和統計方法為文獻計量提供了科學的客觀指標。本文采用文獻計量分析方法：①根據年度出版物、國家/地區、機構、作者、期刊、文章和關鍵詞繪制水凝膠在骨再生領域研究現狀圖；②確定國家、機構和作者之間的合作網絡；③基于研究熱點，為水凝膠在骨再生領域的開展提供更進一步的思路。

1 資料和方法

1.1 文獻檢索

使用Web of Science Core Collection（WOSCC）數據庫內的科學引文索引擴展版（Science Citation Index Expanded，SCIE）系統地檢索了建庫至2021 年12 月31 日，水凝膠用于骨再生領域的相關文獻。檢索詞為水凝膠和骨再生，研究納入以水凝膠和骨再生為主題的論著，排除綜述、會議文章、書籍、社論及被撤回的文獻。

1.2 文獻計量學及可視化分析

Bibliometrix 是由ARIA 和CUCCURULLO 開發的基于R 語言的科學計量學和文獻計量學定量研究的開源工具［13］。本研究使用RStudio 軟件（R 語言版本4.1.2）的“Bibliometrix”包（版本3.1.4）在WOSCC 數據庫中，獲取文獻的相關信息進行分析，例如：國家、機構、作者、期刊、高被引文章及相互之間的關聯。接下來，“ggplot2”軟件包（3.3.5 版）和“maps”軟件包（3.4.0 版）用于檢索文獻分布情況的可視化分析，“ggplot2”軟件包和GraphPad Prism（版本9.1.1）用于本研究中定量數據的分析及圖表繪制。通過“Bibliometrix”包中的應用程序“Biblioshiny”的可視化結果，繪制國家、機構、作者及關鍵詞的網絡圖與關鍵詞趨勢圖。

2 結果

2.1 總體發文量及引用量分析

在1993 年至2021 年間，WOSCC 數據庫中共納入了5 502 篇關于水凝膠用于骨組織再生的文獻。2009 年以前發年文量不足100 篇，相關文獻從2009 年到2021 年逐漸增加。在2012 年，年發文量超過200 篇，而到了2021 年則增加至678 篇（圖1A）。值得關注的是，近十年（2012 年至2021 年）累計發文量為4 558 篇，占全部納入文獻的82.84%。相關文獻的被引量也在逐年增加。2006 年被引量超過1 000 頻次，2012 年超過5 000頻次，2021 年達到32 801 頻次，表明水凝膠材料在骨再生領域的影響力逐年增加。

圖1 水凝膠用于骨再生領域的發文量和引用情況

2.2 發文國家及地區分析

本研究納入的文章來自76 個國家/地區（圖1B）。全球范圍內，中國在水凝膠骨再生領域的文獻產出最多（1 528 篇），其次是美國（1 189 篇）、韓國（368 篇）、日本（268 篇）和德國（196 篇），見圖1B、圖1C?？偙灰l次美國（65 381 次）和中國（31 988 次）最高，其次是日本（9 938 次）、韓國（9 735 次）和德國（5 466次），見圖1D。在總被引頻次排名前十的國家中，瑞士（59.57）、美國（54.99）和荷蘭（50.90）的篇均被引頻次更高（圖1D）。本研究繪制了水凝膠骨再生發文量前十位國家的合作網絡圖，其中節點的直徑代表每個國家的納入文章數，連接線的粗細代表國家合作的強度。如圖1E 所示，排名前十的國家之間有積極的合作，尤其是中國和美國之間。

2.3 發文機構及作者分析

本研究納入的文獻共有3 555 家機構參與其中，其中1 617 篇文章來自排名前十位的機構（圖2A）。排名前五的機構，四川大學、上海交通大學、京都大學、密歇根大學和浙江大學，分別發表了245、185、184、157 和150 篇論文。排名前十的院校中，四川大學、上海交通大學、北京大學、浙江大學、哈佛大學、斯坦福大學、加州大學洛杉磯分校和密歇根大學合作最緊密（圖2B）。

圖2 發文量前十的機構及合作網絡

圖3A、圖3B 可見發表水凝膠骨再生相關文章數量最多和被引頻次最高的前十位作者?？傮w而言，本研究納入文獻共由19 011 位作者發表，其中排名前十位的作者共發表了601 篇文章，占所有文章的10.92%（圖3A）。TABATA Y（141篇）發文數量最多，其次是MIKOS AG（80 篇）、REIS RL（71 篇）、ZHANG Y（51 篇）、KELLY DJ（50 篇）。這些高產作者的相關工作都是在2009 年之前進行的，其中TABATA Y 和MIKOS AG 在2000 年之前就開始了水凝膠用于骨再生領域的研究。在被引量前十位的作者中，TABATA Y（1 494 篇）的引用排名第一，其次是MIKOS AG（1 018 篇）和MOONEY DJ（507 篇）。前十位高產作者的合作網絡圖顯示，TABATA Y、MIKOS AG和JANSEN JA 之間存在積極的合作。

圖3 發文量和被引頻次前十的作者

2.4 收錄期刊分析

本研究納入的5 502 篇論文發表在691 本期刊上，其中排名前十的期刊共發表論文1 714 篇（31.52%）（表1）。在發表相關文章的數量上，Biomaterials（307 篇，5.58%）排名第一，其次是Acta Biomaterialia（246 篇，4.47%），Journal of Biomedical Materials Research Part A（218 篇，3.96%），Materials Science &Engineering C-Materials for Biological Applications（203 篇,3.69%）以 及Tissue Engineering Part A（189 篇，3.44%）。鑒于在高影響因子（IF）期刊上發表的文章通常被認為更有參考價值，發文量前十名的期刊中，70%期刊的IF 超過5 分，60%期刊的中科院JCR 分區為Q1。在被引頻次前十的期刊中，Biomaterials 以26 572 頻次引用量排名第一，其次是Acta Biomaterialia（8 380 頻次），Journal of Biomedical Materials Research Part A（5 677 頻次），Tissue Engineering Part A（4 490 頻次）和Biomacromolecules（4 335 頻次）。排名前十位的期刊在水凝膠用于骨再生領域的被引頻次均高于3 000 頻次，其中60%期刊的IF 大于5。

表1 水凝膠用于骨再生領域發文量及引用量前十的期刊

2.5 高引用文章分析

表2 列出了水凝膠用于骨再生領域被引頻次前十的文章。排名前十的文獻被引用頻次均超過450 次，平均年被引頻次范圍為29.63～177.57 次。被引頻次最高的10 篇文章年份范圍為2002 年至2016 年，其中40%發表在Biomaterials，20%發表在 Nature Materials，20% 發表在 Nature Biotechnology，10% 發表在Nature Protocols，10%發表在 Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America。發表在Nature Protocols 雜志上的“Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin”是被引用最多的文章，該文自2011 年發表以來共有1 590 次引用。其次是KANG HW 等2016 年發表在Nature Biotechnology 期刊和Lutolf MP 等2003 發表在Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America 期刊上的文章。

表2 總被引頻次前十的文章

2.6 關鍵詞分析與主題趨勢

納入文獻中共提取了7 768 個關鍵詞，其中271 個詞出現頻率大于10 次，44 個詞出現頻率大于50 次。水凝膠是出現頻率最高的關鍵詞，共出現709 次，其次是組織工程（588 次）、骨再生（400 次）、骨再生（330 次）、間充質干細胞（279 次）和殼聚糖（259 次）。如圖4 所示，在出現頻率最高的50 個關鍵詞中，部分與水凝膠的組分有關，例如殼聚糖（259 次）、羥基磷灰石（231 次）、藻酸鹽（184 次）、明膠（156 次）、透明質酸（143 次）、膠原（122 次）、絲素蛋白（88 次）和骨形態發生蛋白-2（67 次）。部分關鍵詞與骨組織再生相關，如骨再生（330 次）、成骨（186 次）、成骨分化（134 次）和礦化（61 次）。另有部分關鍵詞與水凝膠的應用相關，如3D 打印（126 次）、注射（61 次）和3D 生物打?。?5 次）。

圖4 出現頻率前五十位關鍵詞的共現網絡可視化圖

按不同年份統計關鍵詞出現頻率可以反映相關領域的研究前沿和趨勢。因此，本文選取了5 個每年至少出現10 次的關鍵詞，相關趨勢的可視化結果如圖5 所示。在過去的3 年中，外泌體、3D 打印、3D 生物打印、生物墨水、抗菌、甲基丙烯酸化水凝膠、成骨、絲素蛋白和可注射水凝膠等關鍵詞頻頻出現。上述表明近年來這些關鍵詞在本領域受到了越來越多學者的關注，發展趨勢與這些關鍵詞密切相關。

圖5 基于關鍵詞的水凝膠用于骨組織再生領域的主題趨勢

3 討論

本研究通過基于WOSCC 數據庫的文獻計量分析，對快速發展的骨再生的水凝膠應用領域進行了系統的評估。本研究共納入相關文獻5 502 篇，這些文獻涉及76 個國家/地區，3 555 個機構，19 011 位作者和691 本期刊。

隨著材料科學的快速發展和研究人員對相關領域的深入認識，2009 年以來，骨再生的水凝膠相關學術產出高速增長。2017 年至2021 年的總體學術產出為2 932 篇，占所有納入文獻的53.29%，表明水凝膠在骨再生領域在過去五年處于高速發展階段，產生了大量相關文獻?；谖墨I計量學分析，中國和美國發文數量和總被引頻次均居于全球前兩名，且兩國之間一直保持緊密的合作關系。發文量前十的機構中，中國（四川大學、上海交通大學、浙江大學、北京大學）和美國（密歇根大學、哈佛大學、加州大學洛杉磯分校、斯坦福大學）各有4 所機構，日本（京都大學）和比利時（根特大學）各有1 所機構。這些機構共發表相關文獻1 617 篇，占納入文獻的29.39%，表明其對水凝膠在骨再生領域的貢獻顯著。機構合作網絡圖進一步顯示，中美兩國機構之間有著積極的合作，為兩國帶來了大量學術成果。TABATA Y，MIKOS AG，KELLY DJ，JANSEN JA這四位作者，在發文量和被引頻次的前十位中均占有一席之地，表明這四位作者是該領域重要的領軍者。通過合作網絡分析，發現TABATA Y、MIKOS AG 和JANSEN JA 三位作者之間有更緊密的合作。Biomaterials、Acta Biomaterialia、Journal of Biomedical Materials Research Part A 和Tissue Engineering Part A 發表論文數和本領域被引頻次方面均位列前十，說明這四本期刊在骨再生水凝膠領域方向做出了重要的學術貢獻，并得到了業界的廣泛認可。

通過關鍵詞共現分析，發現高頻出現的關鍵詞大致可分為3 個類別：水凝膠的組成、骨再生和水凝膠的應用。研究者普遍認為，優化水凝膠組分可以改善其理化性能、力學性能、生物相容性和成骨活性［24-26］。而針對臨床骨再生，骨再生的成骨、成骨分化和生物礦化機制也值得關注［27-28］。此外，水凝膠的應用方法也引起了研究人員的濃厚興趣，如可注射［29］、光固化［30］和3D打印水凝膠［31］等。閱讀收集的相關文獻，筆者歸納水凝膠在骨再生的熱點趨勢如下：

3.1 外泌體

外泌體是由多囊泡體的內膜形成的直徑為30～150 nm 的微小胞外納米囊泡，其中包被有mRNA、肽和蛋白質等重要的生物分子［32］。已有研究表明外泌體可通過核因子κB（NF-κB）受體活化因子配體（RANKL）、Wnt/β 連環蛋白、缺氧誘導因子2（HIF-2）和轉化生長因子-β（TGF-β）調節通路，增強骨組織形成和整合，修復骨缺損［33-34］。然而，如果未受保護的外泌體容易通過網狀內皮系統被體內迅速清除［35］。保護性水凝膠可以避免外泌體在體內降解，并起到局部緩釋作用，從而實現持續有效的骨修復效果［36］。因此，包裹外泌體的水凝膠是實現骨再生不可或缺的橋梁。

3.2 3D 打印

3D 打印是一種基于3D 可視化模型的快速疊層技術，通過計算機輔助設計（CAD）3D 模型，可以將金屬、塑料、陶瓷、粉末、細胞、凝膠等單一或混合材料通過激光束或熱熔噴嘴直接疊層形成3D 實體結構［37］。水凝膠因其對細胞生長友好，可以作為3D 打印生物墨水的主要成分?；谒z的生物墨水通常由生物材料、細胞、培養基、生長因子和營養物質組成，用于以促進細胞增殖和分化恢復骨組織缺損［38-39］。

3.3 抗菌

開放性骨折常伴有嚴重的細菌污染，若不及時徹底清創，超過30%的開放性骨折會發展為骨髓炎［40］。此外，膝關節和髖關節置換術后，植骨相關感染也是常見并發癥［41］。在一些手術中，侵入性病原體在植入物表面生長，引發“表面競爭”。侵入性病原體與宿主細胞之間的競爭一旦前者勝利，通常會導致骨移植相關感染［42］。因此，在骨再生治療中，通過抗菌性能水凝膠積極預防和治療病原體感染，可以減輕患者的痛苦和經濟負擔。

3.4 甲基丙烯酸化水凝膠

甲基丙烯酸化水凝膠（GelMA）是BULCKE等在2000 年由明膠和甲基丙烯酸酐（MA）合成的一種光敏性生物水凝膠，在結構上具有為細胞提供黏附位點的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列以及蛋白降解位點，有助于細胞黏附和生物材料降解［43-44］。目前，這種光敏性水凝膠已廣泛應用于生物領域，如藥物、基因、多肽或生長因子的傳遞，細胞培養和組織工程的支架等［44-45］。單層的GelMA 水凝膠由于硬度與骨組織不匹配，通常不能用于骨缺損再生，而基于貽貝仿生的雙層GelMA 已被證明可以應用于骨缺損修復［46］。此外，多組分GelMA 基生物材料能夠綜合不同組分的優點，因此其設計與合成在骨再生修復領域備受關注。

4 結論

綜上所述，本研究基于文獻計量學分析，綜合評價了水凝膠在骨再生領域的研究現狀和研究熱點，以期為該領域的研究提供參考。本研究從包括國家/地區、機構、作者、期刊、文章和關鍵詞等多角度對該專業領域的現狀及發展進行了分析。同時關注到發文量較高的國家/地區、機構和作者之間有著積極的合作。共現網絡分析得出的關鍵詞是近年來水凝膠在骨再生領域的研究熱點，而主題趨勢則是近年來值得關注的研究方向。毫無疑問，用于骨再生水凝膠領域的探索仍將繼續，并在未來得到更多的關注。

雖然本研究對水凝膠在骨再生領域的應用提供了較為全面、客觀的文獻計量學分析，但仍存在一定的局限性。例如研究納入文獻忽略了非英文文獻，最新發表的文章被引頻次低等問題，可能會對本研究的結果產生偏倚。