基于文獻計量學分析水凝膠在骨再生中的應(yīng)用*

戴卓，李強，張玉，丁夢，吳穎芳，董衡

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

骨組織作為人體最重要的礦化結(jié)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(nèi)臟器官免受損傷，容納骨髓以產(chǎn)生血細胞，以及保持鈣和磷酸鹽的內(nèi)穩(wěn)態(tài)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(fā)全身其他系統(tǒng)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(chǎn)生足夠的骨再生來實現(xiàn)自我修復(fù)［5-7］。因此開發(fā)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(fù)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(shù)區(qū)骨量有限，手術(shù)并發(fā)癥高，阻礙了自體骨移植的推廣應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yōu)秀的生物相容性、良好的生物降解性和優(yōu)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(diào)節(jié)交聯(lián)的方法、程度或組成來控制降解速率和孔隙率［12］。這些優(yōu)勢均使得水凝膠在骨再生領(lǐng)域具有巨大的潛力。分析水凝膠在骨再生領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和趨勢，有助于研究人員和機構(gòu)更好地把握科研投入方向，加快該領(lǐng)域的研究步伐和臨床轉(zhuǎn)化效率。

文獻計量學通過數(shù)學和統(tǒng)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(jù)年度出版物、國家/地區(qū)、機構(gòu)、作者、期刊、文章和關(guān)鍵詞繪制水凝膠在骨再生領(lǐng)域研究現(xiàn)狀圖；②確定國家、機構(gòu)和作者之間的合作網(wǎng)絡(luò)；③基于研究熱點，為水凝膠在骨再生領(lǐng)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(shù)據(jù)庫內(nèi)的科學引文索引擴展版（Science Citation Index Expanded，SCIE）系統(tǒng)地檢索了建庫至2021 年12 月31 日，水凝膠用于骨再生領(lǐng)域的相關(guān)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(fā)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(shù)據(jù)庫中，獲取文獻的相關(guān)信息進行分析，例如：國家、機構(gòu)、作者、期刊、高被引文章及相互之間的關(guān)聯(lián)。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(shù)據(jù)的分析及圖表繪制。通過“Bibliometrix”包中的應(yīng)用程序“Biblioshiny”的可視化結(jié)果，繪制國家、機構(gòu)、作者及關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)圖與關(guān)鍵詞趨勢圖。

2 結(jié)果

2.1 總體發(fā)文量及引用量分析

在1993 年至2021 年間，WOSCC 數(shù)據(jù)庫中共納入了5 502 篇關(guān)于水凝膠用于骨組織再生的文獻。2009 年以前發(fā)年文量不足100 篇，相關(guān)文獻從2009 年到2021 年逐漸增加。在2012 年，年發(fā)文量超過200 篇，而到了2021 年則增加至678 篇（圖1A）。值得關(guān)注的是，近十年（2012 年至2021 年）累計發(fā)文量為4 558 篇，占全部納入文獻的82.84%。相關(guān)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(lǐng)域的影響力逐年增加。

圖1 水凝膠用于骨再生領(lǐng)域的發(fā)文量和引用情況

2.2 發(fā)文國家及地區(qū)分析

本研究納入的文章來自76 個國家/地區(qū)（圖1B）。全球范圍內(nèi)，中國在水凝膠骨再生領(lǐng)域的文獻產(chǎn)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(fā)文量前十位國家的合作網(wǎng)絡(luò)圖，其中節(jié)點的直徑代表每個國家的納入文章數(shù)，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(fā)文機構(gòu)及作者分析

本研究納入的文獻共有3 555 家機構(gòu)參與其中，其中1 617 篇文章來自排名前十位的機構(gòu)（圖2A）。排名前五的機構(gòu)，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(fā)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(fā)文量前十的機構(gòu)及合作網(wǎng)絡(luò)

圖3A、圖3B 可見發(fā)表水凝膠骨再生相關(guān)文章數(shù)量最多和被引頻次最高的前十位作者。總體而言，本研究納入文獻共由19 011 位作者發(fā)表，其中排名前十位的作者共發(fā)表了601 篇文章，占所有文章的10.92%（圖3A）。TABATA Y（141篇）發(fā)文數(shù)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(chǎn)作者的相關(guān)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(lǐng)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(chǎn)作者的合作網(wǎng)絡(luò)圖顯示，TABATA Y、MIKOS AG和JANSEN JA 之間存在積極的合作。

圖3 發(fā)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(fā)表在691 本期刊上，其中排名前十的期刊共發(fā)表論文1 714 篇（31.52%）（表1）。在發(fā)表相關(guān)文章的數(shù)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(fā)表的文章通常被認為更有參考價值，發(fā)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(qū)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(lǐng)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(lǐng)域發(fā)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(lǐng)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(fā)表在Biomaterials，20%發(fā)表在 Nature Materials，20% 發(fā)表在 Nature Biotechnology，10% 發(fā)表在Nature Protocols，10%發(fā)表在 Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America。發(fā)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(fā)表以來共有1 590 次引用。其次是KANG HW 等2016 年發(fā)表在Nature Biotechnology 期刊和Lutolf MP 等2003 發(fā)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(guān)鍵詞分析與主題趨勢

納入文獻中共提取了7 768 個關(guān)鍵詞，其中271 個詞出現(xiàn)頻率大于10 次，44 個詞出現(xiàn)頻率大于50 次。水凝膠是出現(xiàn)頻率最高的關(guān)鍵詞，共出現(xiàn)709 次，其次是組織工程（588 次）、骨再生（400 次）、骨再生（330 次）、間充質(zhì)干細胞（279 次）和殼聚糖（259 次）。如圖4 所示，在出現(xiàn)頻率最高的50 個關(guān)鍵詞中，部分與水凝膠的組分有關(guān)，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(zhì)酸（143 次）、膠原（122 次）、絲素蛋白（88 次）和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（67 次）。部分關(guān)鍵詞與骨組織再生相關(guān)，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(guān)鍵詞與水凝膠的應(yīng)用相關(guān)，如3D 打?。?26 次）、注射（61 次）和3D 生物打印（55 次）。

圖4 出現(xiàn)頻率前五十位關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視化圖

按不同年份統(tǒng)計關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率可以反映相關(guān)領(lǐng)域的研究前沿和趨勢。因此，本文選取了5 個每年至少出現(xiàn)10 次的關(guān)鍵詞，相關(guān)趨勢的可視化結(jié)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(guān)鍵詞頻頻出現(xiàn)。上述表明近年來這些關(guān)鍵詞在本領(lǐng)域受到了越來越多學者的關(guān)注，發(fā)展趨勢與這些關(guān)鍵詞密切相關(guān)。

圖5 基于關(guān)鍵詞的水凝膠用于骨組織再生領(lǐng)域的主題趨勢

3 討論

本研究通過基于WOSCC 數(shù)據(jù)庫的文獻計量分析，對快速發(fā)展的骨再生的水凝膠應(yīng)用領(lǐng)域進行了系統(tǒng)的評估。本研究共納入相關(guān)文獻5 502 篇，這些文獻涉及76 個國家/地區(qū)，3 555 個機構(gòu)，19 011 位作者和691 本期刊。

隨著材料科學的快速發(fā)展和研究人員對相關(guān)領(lǐng)域的深入認識，2009 年以來，骨再生的水凝膠相關(guān)學術(shù)產(chǎn)出高速增長。2017 年至2021 年的總體學術(shù)產(chǎn)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(lǐng)域在過去五年處于高速發(fā)展階段，產(chǎn)生了大量相關(guān)文獻?；谖墨I計量學分析，中國和美國發(fā)文數(shù)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(guān)系。發(fā)文量前十的機構(gòu)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(gòu)，日本（京都大學）和比利時（根特大學）各有1 所機構(gòu)。這些機構(gòu)共發(fā)表相關(guān)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(lǐng)域的貢獻顯著。機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖進一步顯示，中美兩國機構(gòu)之間有著積極的合作，為兩國帶來了大量學術(shù)成果。TABATA Y，MIKOS AG，KELLY DJ，JANSEN JA這四位作者，在發(fā)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(lǐng)域重要的領(lǐng)軍者。通過合作網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)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(fā)表論文數(shù)和本領(lǐng)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(lǐng)域方向做出了重要的學術(shù)貢獻，并得到了業(yè)界的廣泛認可。

通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，發(fā)現(xiàn)高頻出現(xiàn)的關(guān)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(yīng)用。研究者普遍認為，優(yōu)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(guān)注［27-28］。此外，水凝膠的應(yīng)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(guān)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(nèi)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(zhì)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(huán)蛋白、缺氧誘導(dǎo)因子2（HIF-2）和轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）調(diào)節(jié)通路，增強骨組織形成和整合，修復(fù)骨缺損［33-34］。然而，如果未受保護的外泌體容易通過網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)被體內(nèi)迅速清除［35］。保護性水凝膠可以避免外泌體在體內(nèi)降解，并起到局部緩釋作用，從而實現(xiàn)持續(xù)有效的骨修復(fù)效果［36］。因此，包裹外泌體的水凝膠是實現(xiàn)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(shù)，通過計算機輔助設(shè)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(jié)構(gòu)［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。基于水凝膠的生物墨水通常由生物材料、細胞、培養(yǎng)基、生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)組成，用于以促進細胞增殖和分化恢復(fù)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(chuàng)，超過30%的開放性骨折會發(fā)展為骨髓炎［40］。此外，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后，植骨相關(guān)感染也是常見并發(fā)癥［41］。在一些手術(shù)中，侵入性病原體在植入物表面生長，引發(fā)“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(dǎo)致骨移植相關(guān)感染［42］。因此，在骨再生治療中，通過抗菌性能水凝膠積極預(yù)防和治療病原體感染，可以減輕患者的痛苦和經(jīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用于生物領(lǐng)域，如藥物、基因、多肽或生長因子的傳遞，細胞培養(yǎng)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(yīng)用于骨缺損修復(fù)［46］。此外，多組分GelMA 基生物材料能夠綜合不同組分的優(yōu)點，因此其設(shè)計與合成在骨再生修復(fù)領(lǐng)域備受關(guān)注。

4 結(jié)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(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和研究熱點，以期為該領(lǐng)域的研究提供參考。本研究從包括國家/地區(qū)、機構(gòu)、作者、期刊、文章和關(guān)鍵詞等多角度對該專業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)狀及發(fā)展進行了分析。同時關(guān)注到發(fā)文量較高的國家/地區(qū)、機構(gòu)和作者之間有著積極的合作。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析得出的關(guān)鍵詞是近年來水凝膠在骨再生領(lǐng)域的研究熱點，而主題趨勢則是近年來值得關(guān)注的研究方向。毫無疑問，用于骨再生水凝膠領(lǐng)域的探索仍將繼續(xù)，并在未來得到更多的關(guān)注。

雖然本研究對水凝膠在骨再生領(lǐng)域的應(yīng)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(fā)表的文章被引頻次低等問題，可能會對本研究的結(jié)果產(chǎn)生偏倚。