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中华损伤与修复杂志(电子版)

中华损伤与修复杂志(电子版) ›› 2022, Vol. 17 ›› Issue (05) : 411 -420. doi: 10.3877/cma.j.issn.1673-9450.2022.05.006

论著

基于文献计量学与可视化分析的骨组织工程支架材料的全球研究现状及发展趋势
刘梦柔1, 刘沛东2, 张城铭3, 刘阳4, 李鹏翠3, 杨自权5,†()   
  1. 1. 030000　太原，山西医科大学基础医学院
    2. 710000　西安交通大学附属红会医院骨科
    3. 030000　太原，山西医科大学第二医院骨与软组织损伤修复省重点实验室
    4. 030000　太原，山西医科大学基础医学院；030000　太原，山西医科大学第二医院骨与软组织损伤修复省重点实验室
    5. 030000　太原，山西医科大学第二医院骨科
  • 收稿日期:2022-07-23 出版日期:2022-10-01
  • 通信作者: 杨自权
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(30973048，U21A20353，82172503); 山西省基础研究计划(20210302123263); 山西省平台基地和人才专项(201705D211022)

Global research status and development trends of scaffold materials in bone tissue engineering based on bibliometrics and visual analysis

Mengrou Liu1, Peidong Liu2, Chengming Zhang3, Yang Liu4, Pengcui Li3, Ziquan Yang5,†()   

  1. 1. School of Basic Medicine, Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, China
    2. Department of Orthopedics, Honghui Hosptial of Xi′an, Jiaotong University, Xi′an 710000, China
    3. Key Laboratory of Bone and Soft Tissue Injury Repair, Second Hosptial of Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, China
    4. School of Basic Medicine, Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, China; Key Laboratory of Bone and Soft Tissue Injury Repair, Second Hosptial of Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, China
    5. Department of Orthopaedics, Second Hosptial of Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, China
  • Received:2022-07-23 Published:2022-10-01
  • Corresponding author: Ziquan Yang
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引用本文：

刘梦柔, 刘沛东, 张城铭, 刘阳, 李鹏翠, 杨自权. 基于文献计量学与可视化分析的骨组织工程支架材料的全球研究现状及发展趋势[J]. 中华损伤与修复杂志(电子版), 2022, 17(05): 411-420.

Mengrou Liu, Peidong Liu, Chengming Zhang, Yang Liu, Pengcui Li, Ziquan Yang. Global research status and development trends of scaffold materials in bone tissue engineering based on bibliometrics and visual analysis[J]. Chinese Journal of Injury Repair and Wound Healing(Electronic Edition), 2022, 17(05): 411-420.

目的

通过对骨组织工程支架材料的相关文献进行阅读和归纳总结，对相关文献进行文献计量学和相关热点可视化分析，比较不同年份、基金资助机构、机构、作者、来源出版物、国家、文献被引和关键词的相关数据为将来骨组织工程支架材料的研究提供参考。

方法

以骨组织工程和支架材料为主题在Web of Science数据库中检索2009年1月1日到2021年12月31日的相关文献，应用文献计量学方法，使用Excel软件对检索到的相关数据进行归纳总结并绘图，利用VOS-viewer软件将文献数据进行可视化分析，并对研究热点进行解读，分析组织工程支架材料的研究现状及发展方向。

结果

筛选后共纳入了2 145篇文献，根据文献计量学分析发现骨组织工程支架材料的发文量在逐年上升，其中2020年发文量最高(261篇)，占总发文量12.168%。预测2022年发文量为299篇；从发文量方面看National Natural Science Foundation Of China Nsfc是发文量最多的基金资助机构，有378篇；LEAGUE OF EUROPEAN RESEARCH UNIVERSITIES LERU是发文量最多的机构，共发文80篇；Boccaccini AR是发文量最高的作者，被引总频率1 905；MATERIALS SCIENCE ENGINEERING C MATERIALS FOR BIOLOGICAL APPLICATIONS是发表最多的出版物，共110篇占5.128%；中国是发文量最多的国家，多达608篇占28.345%；被引频率最高的文献是Susmita Bose发表在Trends in Biotechnology的一篇文章。通过文献耦合分析发现关联强度最高的机构和国家分别是中国科学院和美国；并且关键词耦合可视化分析发现骨组织工程支架材料的研究分为"支架材料类型""支架材料需要具备的特征及制备""支架材料的修复过程"三方面，分时段比较分析显示其中"3D打印""力学性能""水凝胶""丝素蛋白"等将成为未来的研究趋势及热点。但是研究最多的是羟基磷灰石、生物材料、体外、力学性能等。

结论

近年来关于骨组织工程支架材料的研究日益增多，虽然"3D打印""力学性能""水凝胶""丝素蛋白"逐渐成为研究热点，但是相关研究仍然较少，此外支架材料种类也越来越多。但是仍有许多不足，未来需要各个机构和国家相互交流，以便研究出更适合人体的支架材料。

关键词: 文献计量学, 骨组织工程, 支架材料, 研究趋势
Objective

Through reading and summarizing the relevant literature of bone tissue engineering scaffold materials, the relevant literature was analyzed by bibliometrics and related hot spot visualization, to compare the relevant data of different years, funding institutions, institutions, authors, source publications, countries, literature citations and keywords, so as to provide references for future research on scaffold materials for bone tissue engineering.

Methods

The relevant literatures from January 1, 2009 to December 31, 2021 in the Web of Science database were retrieved with the theme of bone tissue engineering and scaffold materials. Applying bibliometric methods, the retrieved relevant data were summarized and drawn by Excel. The literature data were visually analyzed by VOS-viewer software, the research hotspots were interpreted, and the research status and development direction of tissue engineering scaffold materials were analyzed.

Results

A total of 2 145 articles were included after screening. According to bibliometric analysis, the number of papers on scaffold materials for bone tissue engineering was increasing year by year, the number of papers issued in 2020 was the highest (261), accounting for 12.168% of the total. It was predicted that 299 papers would be issued in 2022; In terms of the number of documents issued, National Natural Science Foundation Of China Nsfc was the fund supporting institution with the largest number of documents, with 378; LEAGUE OF EUROPEAN RESEARCH UNIVERSITIES LERU was the organization with the largest number of documents, with a total of 80 articles; Boccaccini AR was the author with the highest number of papers, the total cited frequency was 1 905, and MATERIALS SCIENCE ENGINEERING C MATERIALS FOR BIOLOGICAL APPLICATIONS was the publication with the most publications, with 110 articles accounting for 5.128%; China was the country with the largest number of documents, with up to 608 articles accounting for 28.345%; the most frequently cited document was an article published by Susmita Bose in Trends in Biotechnology. Through literature coupling analysis, it was found that the institutions and countries with the highest correlation strength were the Chinese Academy of Sciences and the United States. Through literature coupling analysis, it was found that the research of bone tissue engineering scaffold materials could be divided into "scaffold material types" "characteristics and preparation required by scaffold materials" and "repair process of scaffold materials" . Comparative analysis by time showed that "3D printing" "mechanical properties" , "hydrogel" and "Silk fibroin" would become the research trends and hotspots in the future. However, hydroxyapatite, biomaterials, in vitro and mechanical properties were the most studied.

Conclusions

In recent years, there are more and more researches on bone tissue engineering scaffolds. Although "3D printing" , "mechanical properties" , "hydrogel" and "silk fibroin" have gradually become research hotspots, there are still few related studies, and there are more and more kinds of scaffolds. However, there are still many shortcomings. In the future, various institutions and countries need to communicate with each other in order to develop more suitable scaffold materials for human body.

Key words: Bibliometrics, Bone tissue engineering, Scaffold material, Research trends
图1 筛选流程
图2 发文量及时间拟合线
图3 发文量前10位的基金资助机构
图4 机构发文分析
图5 作者发文分析
图6 来源出版物分析
图7 各国家发文分析
表1 Web of Science数据中2009至2021高频被引论文TOP3文献被引分析
题目 作者 期刊 年份 被引频率
Recent advances in bone tissue enginerring scaffolds Susmita Bose Trends in Biotechnology 2012 1 276
Polymeric scaffolds in tissue engineering application：a review Dhandayuthapani, B INTERNATIONAL JOURNAL OF POLYMER SCIENCE 2011 1 016
Printing and prototyping of tissues and scaffolds Derby，brian Science 2012 701
Hyaluronic acid based scaffolds for tissue engineering：a review Collins，maurice n Carbohydrate polymers 2013 636
Strontium-containing mesoporous bioactive glass scaffolds with improved osteogenic/cementogenic differentiation of periodontal ligament cells for periodontal tissue engineering Wu，chengtie Acta biomaterialia 2012 597
图8 全球骨组织工程支架材料文献耦合分析。A为机构耦合分析；B为国家耦合分析注：图中每个圆圈代表一个机构/国家，圆圈大小反应该文字的权重，颜色代表聚类分组，圆圈之间的连线越多说明各机构/国家之间的关联越多，线条越粗说明关联强度越强
图9 研究方向分析注：图中每个圆圈代表一个关键词，圆圈大小反应该文字的权重，颜色代表聚类分组，圆圈之间的连线越多说明关键词之间的关联越多，线条越粗说明关联强度越强
图10 研究热点及趋势分析。A为2010年至2021年研究方向；B为2015年至2017年研究方向注：图中每个圆圈代表一个关键词，圆圈大小反应该文字的权重，颜色代表聚类分组，圆圈之间的连线越多说明关键词之间的关联越多，线条越粗说明关联强度越强；随着时间的推移，颜色由蓝色变为黄色，蓝色部分是早期的研究方向，黄色部分是近几年的研究方向
图11 研究方向密度可视化分析注：颜色由蓝色到绿色再到黄色，一个点附近项目越多，相邻项目的权重就越高，该点颜色就越接近黄色
表2 支架材料种类、名称与特点
材料种类与名称 特点
无机材料-生物活性陶瓷  
  羟基磷灰石 良好的生物相容性、骨传导性，但是降解速度慢、力学性能差、脆性大[10]，逐渐被纳米羟基磷灰石所取代，成为支架材料中的研究热点
  磷酸三钙 良好的骨传导性和生物相容性[11]，但是降解较快
  陶瓷 良好的骨传导性、抗压强度和骨整合效果
  生物活性玻璃 强度和韧性高、耐磨、良好的骨传导性和生物相容性，能与骨骼形成直接的化学键[12]
无机材料-金属  
  钽 防腐但是成骨速度慢、制造流程复杂
  钛及其合金 防腐特性及生物相容性良好[13]，但是弹性模量较高
  镁及其合金 机械性能与抗压强度与人体骨相似，有良好的生物相容性和降解性[14]，但是在人体快速降解会导致氢气析出和局部碱化，不利于伤口恢复
合成聚合材料  
  聚己内酯/聚乳酸/聚乙二醇/聚乙醇酸 良好的生物相容性和可降解性
天然聚合材料  
  胶原 良好的生物降解性、低抗原性、细胞相容性和组织再生潜能
  壳聚糖 可生物降解、生物相容，无抗原性、无毒、抑菌、增强免疫等但是体内降解快[15]
  透明质酸 细胞外基质的重要成分，良好的生物相容性、可降解性、非抗原性[16]
  海藻酸钠 可生物降解、亲水性好
  纤维蛋白 可降解，用于骨再生和伤口愈合
  丝素蛋白[17] 良好生物相容性、降解产物无毒、力学性能可调
复合材料-添加药物  
  淫羊藿苷-纳米羟基磷灰石的复合材料/聚磷酸钙-淫羊藿苷和β-磷酸钙-淫羊藿苷/聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯/淫羊藿苷[18] 有较好的修复效果和生物相容性、骨诱导性
  左氧氟沙星的三维丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石[19] 具有缓释性能、抗压缩能力、吸水率及热水溶失率
  双膦酸盐药物[20] 促进成骨作用
  葛根素/磷酸三钙 良好的修复作用
复合材料—多种类型复合  
  聚醚醚酮-氧化石墨烯/壳聚糖复合材料/基化氮化硼-壳聚糖-银纳米颗粒/纳米羟基磷灰石复合材料等 生物相容性、生物活性、骨传导性和骨修复[21]
复合材料-3D打印复合支架  
  三氧化聚合物/聚己内酯等[22] 较好的修复效果、生物相容性，较好的理化性能
表3 支架材料制造方法
制作方法 描述 优缺点
气体发泡 通过在无定形稠度的材料混合物中形成气泡或气体来产生多孔结构的过程[25] 产生所需的多孔结构、成本低加工快，而且不需要去除有可能影响细胞有机溶液的残留物，但是它不能产生完全相互连接的孔，而且不适合制造复杂形状的支架[25,26]
低温凝胶化 通过将悬浮在水或其他溶剂中的聚合物溶液冷冻至冰点以下温度，并允许溶剂和前体溶液之间发生相分离，从而形成微孔结构的过程[25] 它能够通过仔细选择溶剂和前体溶液的比例来控制孔隙率的大小，但是缺乏精确定义和控制支架内部和外部几何形状的机制[25]
增材制造(熔融沉积式、光固化成型、激光选区熔化、激光选区烧结等) 是一个集合术语，用于描述一组制造方法，其中三维物体是通过逐层或增量添加和处理材料来构建的 易于配置以精确匹配其界面环境的宏观形状、具有很强的细胞附着和引导能力、高控制脚手架内部结构[27]，但是要虑材料兼容性、打印分辨率、成本和处理速度等因素
静电纺丝 静电力从黏弹性流体中得到连续的纳米纤维 装置简单、成本低廉、适用于大规模生产[28]、但是难处是在宏观尺度制造后保持结构细节
冷冻干燥 将聚合物溶液与水或有机溶液在低温条件下冷冻，然后聚合物会发生相分离，最后去除溶剂得到多孔结构[29] 无需使用高温或单独的浸提步骤来制造支架，并且可以根据需要生产各种尺寸和形状的支架、减少了封闭孔隙的出现等[30]，但是是一种缓慢而昂贵的方法没有减少有机溶剂的使用，孔隙率难以控制[31]
脱细胞 是将骨中的活细胞杀死，脂肪皂化，从而降低骨组织的抗原性[32] 良好的生物相容性、骨诱导性等[32]
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