基于文献计量学分析水凝胶在骨再生中的应用*

戴卓，李强，张玉，丁梦，吴颖芳，董衡

（1.南京大学医学院附属口腔医院，江苏 南京 210008；2.中南大学湘雅医学口腔医学中心，湖南 长沙 410008）

骨组织作为人体最重要的矿化结缔组织，具有支持运动，为肌肉和其他软组织的黏附提供支架，保护内脏器官免受损伤，容纳骨髓以产生血细胞，以及保持钙和磷酸盐的内稳态等重要功能［1-4］。骨组织本身具有良好的自愈和再生能力，然而，当缺损范围较大、伴发全身其他系统疾病、受遗传因素或不良习惯（如酗酒或吸烟）等因素影响时，骨组织的自愈能力则不足以产生足够的骨再生来实现自我修复［5-7］。因此开发新的方法促进骨组织再生迫在眉睫。

目前临床最常见且有效的骨缺损修复方式是通过自体骨、同种骨、异种骨或人工骨进行骨再生［8］。自体骨主要取自患者自身的腓骨、髂骨、下颌骨或颅骨，被认为是治疗方法的“金标准”［9］。然而，由于取骨术区骨量有限，手术并发症高，阻碍了自体骨移植的推广应用［10］。同种骨移植也被称为同种异体骨移植，可在骨组织库中获得，而异种骨移植则来自非人源物种，例如小牛骨［11］。尽管在临床上得到了广泛的应用并取得了一定的骨再生效果，但同种异体或异种骨移植材料只具有骨传导作用，其本身促进成骨的效果欠佳。

水凝胶是一种亲水性聚合物支架，具有优秀的生物相容性、良好的生物降解性和优异的机械强度。此外，水凝胶可以作为药物或细胞载体来促进骨再生，并且可以通过调节交联的方法、程度或组成来控制降解速率和孔隙率［12］。这些优势均使得水凝胶在骨再生领域具有巨大的潜力。分析水凝胶在骨再生领域的研究现状和趋势，有助于研究人员和机构更好地把握科研投入方向，加快该领域的研究步伐和临床转化效率。

文献计量学通过数学和统计方法为文献计量提供了科学的客观指标。本文采用文献计量分析方法：①根据年度出版物、国家/地区、机构、作者、期刊、文章和关键词绘制水凝胶在骨再生领域研究现状图；②确定国家、机构和作者之间的合作网络；③基于研究热点，为水凝胶在骨再生领域的开展提供更进一步的思路。

1 资料和方法

1.1 文献检索

使用Web of Science Core Collection（WOSCC）数据库内的科学引文索引扩展版（Science Citation Index Expanded，SCIE）系统地检索了建库至2021 年12 月31 日，水凝胶用于骨再生领域的相关文献。检索词为水凝胶和骨再生，研究纳入以水凝胶和骨再生为主题的论著，排除综述、会议文章、书籍、社论及被撤回的文献。

1.2 文献计量学及可视化分析

Bibliometrix 是由ARIA 和CUCCURULLO 开发的基于R 语言的科学计量学和文献计量学定量研究的开源工具［13］。本研究使用RStudio 软件（R 语言版本4.1.2）的“Bibliometrix”包（版本3.1.4）在WOSCC 数据库中，获取文献的相关信息进行分析，例如：国家、机构、作者、期刊、高被引文章及相互之间的关联。接下来，“ggplot2”软件包（3.3.5 版）和“maps”软件包（3.4.0 版）用于检索文献分布情况的可视化分析，“ggplot2”软件包和GraphPad Prism（版本9.1.1）用于本研究中定量数据的分析及图表绘制。通过“Bibliometrix”包中的应用程序“Biblioshiny”的可视化结果，绘制国家、机构、作者及关键词的网络图与关键词趋势图。

2 结果

2.1 总体发文量及引用量分析

在1993 年至2021 年间，WOSCC 数据库中共纳入了5 502 篇关于水凝胶用于骨组织再生的文献。2009 年以前发年文量不足100 篇，相关文献从2009 年到2021 年逐渐增加。在2012 年，年发文量超过200 篇，而到了2021 年则增加至678 篇（图1A）。值得关注的是，近十年（2012 年至2021 年）累计发文量为4 558 篇，占全部纳入文献的82.84%。相关文献的被引量也在逐年增加。2006 年被引量超过1 000 频次，2012 年超过5 000频次，2021 年达到32 801 频次，表明水凝胶材料在骨再生领域的影响力逐年增加。

图1 水凝胶用于骨再生领域的发文量和引用情况

2.2 发文国家及地区分析

本研究纳入的文章来自76 个国家/地区（图1B）。全球范围内，中国在水凝胶骨再生领域的文献产出最多（1 528 篇），其次是美国（1 189 篇）、韩国（368 篇）、日本（268 篇）和德国（196 篇），见图1B、图1C。总被引频次美国（65 381 次）和中国（31 988 次）最高，其次是日本（9 938 次）、韩国（9 735 次）和德国（5 466次），见图1D。在总被引频次排名前十的国家中，瑞士（59.57）、美国（54.99）和荷兰（50.90）的篇均被引频次更高（图1D）。本研究绘制了水凝胶骨再生发文量前十位国家的合作网络图，其中节点的直径代表每个国家的纳入文章数，连接线的粗细代表国家合作的强度。如图1E 所示，排名前十的国家之间有积极的合作，尤其是中国和美国之间。

2.3 发文机构及作者分析

本研究纳入的文献共有3 555 家机构参与其中，其中1 617 篇文章来自排名前十位的机构（图2A）。排名前五的机构，四川大学、上海交通大学、京都大学、密歇根大学和浙江大学，分别发表了245、185、184、157 和150 篇论文。排名前十的院校中，四川大学、上海交通大学、北京大学、浙江大学、哈佛大学、斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校和密歇根大学合作最紧密（图2B）。

图2 发文量前十的机构及合作网络

图3A、图3B 可见发表水凝胶骨再生相关文章数量最多和被引频次最高的前十位作者。总体而言，本研究纳入文献共由19 011 位作者发表，其中排名前十位的作者共发表了601 篇文章，占所有文章的10.92%（图3A）。TABATA Y（141篇）发文数量最多，其次是MIKOS AG（80 篇）、REIS RL（71 篇）、ZHANG Y（51 篇）、KELLY DJ（50 篇）。这些高产作者的相关工作都是在2009 年之前进行的，其中TABATA Y 和MIKOS AG 在2000 年之前就开始了水凝胶用于骨再生领域的研究。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）。前十位高产作者的合作网络图显示，TABATA Y、MIKOS AG和JANSEN JA 之间存在积极的合作。

图3 发文量和被引频次前十的作者

2.4 收录期刊分析

本研究纳入的5 502 篇论文发表在691 本期刊上，其中排名前十的期刊共发表论文1 714 篇（31.52%）（表1）。在发表相关文章的数量上，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%）。鉴于在高影响因子（IF）期刊上发表的文章通常被认为更有参考价值，发文量前十名的期刊中，70%期刊的IF 超过5 分，60%期刊的中科院JCR 分区为Q1。在被引频次前十的期刊中，Biomaterials 以26 572 频次引用量排名第一，其次是Acta Biomaterialia（8 380 频次），Journal of Biomedical Materials Research Part A（5 677 频次），Tissue Engineering Part A（4 490 频次）和Biomacromolecules（4 335 频次）。排名前十位的期刊在水凝胶用于骨再生领域的被引频次均高于3 000 频次，其中60%期刊的IF 大于5。

表1 水凝胶用于骨再生领域发文量及引用量前十的期刊

2.5 高引用文章分析

表2 列出了水凝胶用于骨再生领域被引频次前十的文章。排名前十的文献被引用频次均超过450 次，平均年被引频次范围为29.63～177.57 次。被引频次最高的10 篇文章年份范围为2002 年至2016 年，其中40%发表在Biomaterials，20%发表在 Nature Materials，20% 发表在 Nature Biotechnology，10% 发表在Nature Protocols，10%发表在 Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America。发表在Nature Protocols 杂志上的“Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin”是被引用最多的文章，该文自2011 年发表以来共有1 590 次引用。其次是KANG HW 等2016 年发表在Nature Biotechnology 期刊和Lutolf MP 等2003 发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America 期刊上的文章。

表2 总被引频次前十的文章

2.6 关键词分析与主题趋势

纳入文献中共提取了7 768 个关键词，其中271 个词出现频率大于10 次，44 个词出现频率大于50 次。水凝胶是出现频率最高的关键词，共出现709 次，其次是组织工程（588 次）、骨再生（400 次）、骨再生（330 次）、间充质干细胞（279 次）和壳聚糖（259 次）。如图4 所示，在出现频率最高的50 个关键词中，部分与水凝胶的组分有关，例如壳聚糖（259 次）、羟基磷灰石（231 次）、藻酸盐（184 次）、明胶（156 次）、透明质酸（143 次）、胶原（122 次）、丝素蛋白（88 次）和骨形态发生蛋白-2（67 次）。部分关键词与骨组织再生相关，如骨再生（330 次）、成骨（186 次）、成骨分化（134 次）和矿化（61 次）。另有部分关键词与水凝胶的应用相关，如3D 打印（126 次）、注射（61 次）和3D 生物打印（55 次）。

图4 出现频率前五十位关键词的共现网络可视化图

按不同年份统计关键词出现频率可以反映相关领域的研究前沿和趋势。因此，本文选取了5 个每年至少出现10 次的关键词，相关趋势的可视化结果如图5 所示。在过去的3 年中，外泌体、3D 打印、3D 生物打印、生物墨水、抗菌、甲基丙烯酸化水凝胶、成骨、丝素蛋白和可注射水凝胶等关键词频频出现。上述表明近年来这些关键词在本领域受到了越来越多学者的关注，发展趋势与这些关键词密切相关。

图5 基于关键词的水凝胶用于骨组织再生领域的主题趋势

3 讨论

本研究通过基于WOSCC 数据库的文献计量分析，对快速发展的骨再生的水凝胶应用领域进行了系统的评估。本研究共纳入相关文献5 502 篇，这些文献涉及76 个国家/地区，3 555 个机构，19 011 位作者和691 本期刊。

随着材料科学的快速发展和研究人员对相关领域的深入认识，2009 年以来，骨再生的水凝胶相关学术产出高速增长。2017 年至2021 年的总体学术产出为2 932 篇，占所有纳入文献的53.29%，表明水凝胶在骨再生领域在过去五年处于高速发展阶段，产生了大量相关文献。基于文献计量学分析，中国和美国发文数量和总被引频次均居于全球前两名，且两国之间一直保持紧密的合作关系。发文量前十的机构中，中国（四川大学、上海交通大学、浙江大学、北京大学）和美国（密歇根大学、哈佛大学、加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学）各有4 所机构，日本（京都大学）和比利时（根特大学）各有1 所机构。这些机构共发表相关文献1 617 篇，占纳入文献的29.39%，表明其对水凝胶在骨再生领域的贡献显著。机构合作网络图进一步显示，中美两国机构之间有着积极的合作，为两国带来了大量学术成果。TABATA Y，MIKOS AG，KELLY DJ，JANSEN JA这四位作者，在发文量和被引频次的前十位中均占有一席之地，表明这四位作者是该领域重要的领军者。通过合作网络分析，发现TABATA Y、MIKOS AG 和JANSEN JA 三位作者之间有更紧密的合作。Biomaterials、Acta Biomaterialia、Journal of Biomedical Materials Research Part A 和Tissue Engineering Part A 发表论文数和本领域被引频次方面均位列前十，说明这四本期刊在骨再生水凝胶领域方向做出了重要的学术贡献，并得到了业界的广泛认可。

通过关键词共现分析，发现高频出现的关键词大致可分为3 个类别：水凝胶的组成、骨再生和水凝胶的应用。研究者普遍认为，优化水凝胶组分可以改善其理化性能、力学性能、生物相容性和成骨活性［24-26］。而针对临床骨再生，骨再生的成骨、成骨分化和生物矿化机制也值得关注［27-28］。此外，水凝胶的应用方法也引起了研究人员的浓厚兴趣，如可注射［29］、光固化［30］和3D打印水凝胶［31］等。阅读收集的相关文献，笔者归纳水凝胶在骨再生的热点趋势如下：

3.1 外泌体

外泌体是由多囊泡体的内膜形成的直径为30～150 nm 的微小胞外纳米囊泡，其中包被有mRNA、肽和蛋白质等重要的生物分子［32］。已有研究表明外泌体可通过核因子κB（NF-κB）受体活化因子配体（RANKL）、Wnt/β 连环蛋白、缺氧诱导因子2（HIF-2）和转化生长因子-β（TGF-β）调节通路，增强骨组织形成和整合，修复骨缺损［33-34］。然而，如果未受保护的外泌体容易通过网状内皮系统被体内迅速清除［35］。保护性水凝胶可以避免外泌体在体内降解，并起到局部缓释作用，从而实现持续有效的骨修复效果［36］。因此，包裹外泌体的水凝胶是实现骨再生不可或缺的桥梁。

3.2 3D 打印

3D 打印是一种基于3D 可视化模型的快速叠层技术，通过计算机辅助设计（CAD）3D 模型，可以将金属、塑料、陶瓷、粉末、细胞、凝胶等单一或混合材料通过激光束或热熔喷嘴直接叠层形成3D 实体结构［37］。水凝胶因其对细胞生长友好，可以作为3D 打印生物墨水的主要成分。基于水凝胶的生物墨水通常由生物材料、细胞、培养基、生长因子和营养物质组成，用于以促进细胞增殖和分化恢复骨组织缺损［38-39］。

3.3 抗菌

开放性骨折常伴有严重的细菌污染，若不及时彻底清创，超过30%的开放性骨折会发展为骨髓炎［40］。此外，膝关节和髋关节置换术后，植骨相关感染也是常见并发症［41］。在一些手术中，侵入性病原体在植入物表面生长，引发“表面竞争”。侵入性病原体与宿主细胞之间的竞争一旦前者胜利，通常会导致骨移植相关感染［42］。因此，在骨再生治疗中，通过抗菌性能水凝胶积极预防和治疗病原体感染，可以减轻患者的痛苦和经济负担。

3.4 甲基丙烯酸化水凝胶

甲基丙烯酸化水凝胶（GelMA）是BULCKE等在2000 年由明胶和甲基丙烯酸酐（MA）合成的一种光敏性生物水凝胶，在结构上具有为细胞提供黏附位点的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列以及蛋白降解位点，有助于细胞黏附和生物材料降解［43-44］。目前，这种光敏性水凝胶已广泛应用于生物领域，如药物、基因、多肽或生长因子的传递，细胞培养和组织工程的支架等［44-45］。单层的GelMA 水凝胶由于硬度与骨组织不匹配，通常不能用于骨缺损再生，而基于贻贝仿生的双层GelMA 已被证明可以应用于骨缺损修复［46］。此外，多组分GelMA 基生物材料能够综合不同组分的优点，因此其设计与合成在骨再生修复领域备受关注。

4 结论

综上所述，本研究基于文献计量学分析，综合评价了水凝胶在骨再生领域的研究现状和研究热点，以期为该领域的研究提供参考。本研究从包括国家/地区、机构、作者、期刊、文章和关键词等多角度对该专业领域的现状及发展进行了分析。同时关注到发文量较高的国家/地区、机构和作者之间有着积极的合作。共现网络分析得出的关键词是近年来水凝胶在骨再生领域的研究热点，而主题趋势则是近年来值得关注的研究方向。毫无疑问，用于骨再生水凝胶领域的探索仍将继续，并在未来得到更多的关注。

虽然本研究对水凝胶在骨再生领域的应用提供了较为全面、客观的文献计量学分析，但仍存在一定的局限性。例如研究纳入文献忽略了非英文文献，最新发表的文章被引频次低等问题，可能会对本研究的结果产生偏倚。