2.1   材料生物力学文献产出   
2.1.1   发文趋势与学科基础分析   2012-2022年间共发表关于材料生物力学研究文献3 182篇，文章数量整体呈逐年上升趋势(图2)，具体可分为2个阶段：平稳发展阶段(2012-2015年)和快速发展阶段(2016-2022年)。其中，中国历年发文在国际上相对较少，但总体趋势以增长为主。材料生物力学研究的快速增长可以用2个因素来解释：第一，全球正处于新的产业革命时代，着力提升国家制造业基础是提升综合国力的重要支点，材料科学的发展与进步是制造业产业升级与改革的关键基础[6]；第二，人工智能的引入改变了制造产业格局，生物医学工程技术作为人工智能领域提升发展质量、降低成本的利器，针对生物医学工程研究也成为推动制造业高质量发展的重要保障[7]，这意味着涌现出越来越多关于生物材料的科学研究，与此同时对材料生物力学主题的文献计量分析也更加可靠。



随着材料生物力学的研究越来越多，不同学科的专业手段、知识也被应用至材料生物力学的研究中(图3)。27.81%的文章涉及生物医学工程领域，研究面临各种生物医学材料的设计、制造和功能化问题，旨在突破生物材料与生物内部环境在时空尺度上的相互作用，这将加深对于生物材料潜在作用机制的探索。值得注意的是，生物医学工程单一学科已无法满足材料生物力学的研究需求，骨科学、体育科学、口腔外科医学、机械学等医学、体育学、工程学多学科介入，依据胶原蛋白[8]、光弹性材料[9]、钛合金等生物材料的力学特性[10]，从工艺路线、反应机制等方面出发，为特定的疾病病例治疗与康复提供手段，致使材料生物力学研究走向多学科交叉融合体系。例如，太原理工大学团队建立不同生物材料的膝关节有限元模型，通过计算机、工程力学与数学方法计算股骨的应力分布情况，结果发现功能梯度生物材料在减少应力遮挡和聚乙烯衬垫磨损时效果最为显著[11]。



2.1.2   期刊与高频被引文献分析   表1中列出材料生物力学研究前5高产期刊的影响因子、发文量等信息。有关材料生物力学的文献分布于数百种期刊上，前5的高产期刊发文量占总发文量的28%。其中，《Journal of Biomechanics》是发文量首位，近十年累计发文306篇，是一本发表关于使用力学原理探索生物学问题的原创性期刊。发文量第二的是《Journal of Biomechanical Engineering-Transactions of the ASME》，涉猎人体器官和假体、生物材料、生物工程、细胞力学等方向。高产期刊所涉猎领域与其学科基础相匹配(图3)，旨在关注人体组织、器官在运动过程中的力学响应，探究人体内部结构与损伤的相关性。



文献的被引频次可以反映出相关文献在该领域的学术影响力，是一种呈现文献、期刊或作者之间关系程度的研究方法[12]。表2描述了材料生物力学研究中高频被引文献，以应用研究为主，研究对象大至关节、肌腱、软骨，小至细胞结构。被引频次最高的文章是DREISCHARF团队[13]通过建立腰椎有限元模型预测不同负荷下腰椎各节段的力学响应，同时提出使用单一模型推广至人群中的假设，并通过概率统计方法的个体模型结果作为预测工具进行检验。被引频次第二的是SON等[14]基于高速视频显微镜和机械稳定性理论使用Matlab跟踪细胞，测量其形状大小并识别鞭毛细丝，以此揭示灵活性在生物材料中的新作用。计算机技术被广泛应用到生物材料的研究中，有限元分析作为计算机技术与力学分析相结合的方法，在计算过程中不会受到形状和材料的限制，通过不同边界条件分析不同工况下的受力情况已成为材料生物力学研究的有力工具。



2.2   材料生物力学研究分布   CiteSpace提供包括宏观国家合作网络、中观机构合作网络和微观作者合作网络3个层次的科学网络图谱。网络图谱的基本原理是2个节点间通过连线连接，节点代表国家、机构或作者，2个节点之间连线长短、粗细与二者间合作关系强度有关[15]。
2012-2022年间材料生物力学研究的国家合作关系网中共生成62个节点和178条连线，密度为0.094(图4)。国家发文量与其科研机构和项目资助相关，同时可以反映出该国家对于材料生物力学领域研究的关注程度。由图5可见，材料生物力学研究发文量前三的国家是美国、中国和德国，除中国外均有本土期刊属于该领域的高产期刊(表1)，说明中国在该领域的研究依赖于国外期刊发表。此外，欧洲在国家间合作中扮演重要的角色，发文量前7的国家中欧洲国家占据5位，西方国家对于生物材料的投资强度高、研究内容广泛、发展规划长远[16]，致使欧洲国家对于材料生物力学领域研究颇为重视，例如德国伯恩大学团队[17]以两种载荷条件分析钛、金合金和氧化锆3种材料作为种植体的应力和应变值，以寻求最佳的骨骼种植体。同样作为生物材料市场主要力量的中国，对于体外实验研究关注度较高[18-19]。体外研究中尸体标本通常是研究的最佳选择，但是人类标本的稀缺性以及离体材料难以模拟真实的运动状态，使得体外实验探索具体的生物力学问题时会受到局限。







2012-2022年机构网络合作共生成255个节点和328条连线，密度为0.010(图6)。在发文量前列的机构中，美国的加利福尼亚大学以16篇文章领先，该机构在数学、物理学、化学、地质学、生物学等领域研究成果突出，其研究涵盖多形性胶质母细胞瘤模型构建[20]、断层影像分析等[21]，对特定疾病发病机制、个性化药物筛选具有重要的研究价值。紧随其后的是法国国家科学研究中心(13篇)、伦敦大学(10篇)、佐治亚理工学院(9篇)(图5)。美国是材料生物力学研究的主要贡献者，加利福尼亚大学、佐治亚理工学院、哈佛大学、埃默里大学、佐治亚大学位列发文量最高的7个机构之中，研究方向侧重于材料黏弹性、有限元建模等。综上，机构主要集中在大学，少数位于科学研究所。



2012-2022年间作者合作关系共生成463个节点和569条连线，密度为0.005 3。合作关系以机构内部作者合作为主，机构与机构间合作较少。通过普赖斯定律可以确定该领域的核心作者群[22]，反映该研究领域的发展趋势与科研动态，计算得出核心作者共57位，共发文313篇，尚不构成核心作者群，排名靠前的作者与后续作者之间发文数量差异较大，说明出版文章主要来自排名靠前的作者(图5)。表3列出发文量前5的作者，研究方向集中在生物医学领域，反映出材料生物力学研究的目的旨在解决生物医学问题，例如人体结构生物力学变化与损伤机制分析[23]、体外植入物选择[17]、手术方案预演等[24]。值得注意的是，德国基尔大学的STANISLAV教授以24篇发文量位居第一，以研究各类生物的形态结构、运动表现为主，例如探寻瓢虫的黏性跗骨材料组成和结构特性以提高其黏合剂系统性能[25]。



2.3   材料生物力学研究的热点与前沿   如图7所示，基于关键词词频和中心性可视化关键词共现网络关键词可以确定该领域的研究热点。在图7a和表4中提取Web of Science数据库目标文献的高频关键词，其中频次最高的关键词为“有限元分析(finite element)”，中心性同样最高为0.39；其次是“生物力学(biomechanics)”“力学性能(mechanical property)”“性能(behavior)”和“模型(model)”。换言之，使用有限元法分析生物材料的性能以解决特定生物力学问题，已成为材料生物力学领域的研究热点。







通过关键词突现可以发现近期内剧增的关键词，从更深度的层面观察该领域的发展变化。关键词突现结果显示(图7b所示)，2012-2022年间，材料生物力学研究中突现强度最大的关键词是“应变(strain)”，与“有限元模型(finite element model)”均为突现时间最长的关键词。“应变(strain)”“稳定性(stability)”“断裂(fracture)”的突现时间具有延续性，表明拉伸、破坏、稳定等材料结构、性能变化是该领域关注的热点。此外，目前仍然存在的关键词为“胶原蛋白(collagen)”“刚性(stiffness)”，这说明生物材料的结构、性能研究将持续受到关注。
对数极大似然率(likelihood rate，LLR)表示随时间变化发生不同概率现象的可能性，更容易对概率现象进行估计。基于LLR得到关键词聚类科学图谱(图7c和表5)，关键词是文献内容的高度概括，通过关键词聚类能够了解材料生物力学研究的热点与动态演变。此次研究共生成10大聚类：#0 有限元分析(finite element analysis)、#1 超弹性(hyperelasticity)、#2 腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm)、#3 脊柱生物力学(spine biomechanics)、#4 微结构(microstructure)、#5 腰痛(low back pain)、#6 前交叉韧带(anterior cruciate ligament)、#7 各向异性(anisotropic)、#8 染料(dyes)、#9 分子动力学(molecular dynamics)。图7c中节点圆环半径代表关键词的频次，节点间连线代表两个关键词在同一篇文献中出现，颜色线条对应时间线。模块化Q和平均轮廓值S是评估聚类的两个指标，当Q > 0.3时说明聚类结构是显著，S > 0.7时认为聚类具有高效率的信服度。通过LLR计算得到关键词图谱的模块化Q=0.439，平均轮廓值S=0.763，表明聚类结构显著且一致性高。

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《“十四五”我国生物力学研究发展战略纲要》指出[1]，发展中国的生物力学研究要抓住机遇，在基础研究领域引领生物力学的发展前沿，重点提出并解决重大疾病发生与发展机制的力学生物学关键科学问题。材料生物力学作为生物力学的一个分支，是通过材料科学手段与方法为机体内部组织、细胞构建适宜的力学微环境以调控组织和细胞功能，它还可以作为生物医用材料，如诊断、修复或替代人体的组织、器官或增进其功能[2-3]。通过系统的文献评述可以更加清晰直观的视角了解该领域的研究现状。陈振银等[2]整合2021年材料生物力学的相关文献，探讨了细胞行为在材料生物力学中的作用以及其在组织修复和替代物方面的应用。魏俊超等[4]系统综述了圆锥角膜在发展过程中的生物力学研究。康巍等[5]基于本构模型总结不同加载方式下生物软组织的力学性能规律，以期建立更加科学的人体仿生标靶。值得注意的是，由于计算机与工业技术的快速发展，越来越多生物材料替代物被挖掘应用，不同材料所具有的力学特性不同，提升了对于材料生物力学的研究需求，使得该领域研究的总体方向难以掌握。因此，需要对材料生物力学这一主题进行较为全面深入的文献分析和比较分析，从文献计量学多角度思考材料生物力学的研究手段和需求。此次研究对2012-2022年间Web of Science数据库中材料生物力学的权威文献进行检索，从发文量、国家、机构、学科基础、作者、期刊和高频共被引文献进行统计分析，并通过CiteSpace 6.2.R2进行关键词共现、突现和聚类分析，总结了近十年材料生物力学研究现状，厘清该领域研究热点与态势，探究生物材料在人体科学中的应用价值，以期寻求材料生物力学学科体系与建设的新方向、新突破、新格局，为未来理论研究与实践探索提供参考。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

1.1   检索人   洪靖、卢从飞、黄晨宾、蒋倩、刘井雄。   
1.2   检索时间   2023-03-15。
1.3   资料来源   Web of Science核心合集数据是一款全球学术信息数据库，其中包含世界多种具有高影响力且权威的学术期刊，其内容范围广、数据全面，涵盖了物理科学、生物科学、工程技术、艺术与人文等各个领域的内容。

1.4   文献检索   如图1所示，在Web of Science核心合集数据库进行检索，检索主题词为“Material”和“Biomechanics”，检索式：TS=(Material)AND(Biomechanics)，检索时间设定为2012-01-01/2022-12-31，手动筛查重复文献，并排除综述、会议、书籍等无效资料。

1.5   分析方法   基于文献计量可视化对材料生物力学研究在发文趋势、高被引文献以及国家分布等方面进行分析。将纳入的3 182篇文献以纯文本格式保存，以“download”形式命名，运用CiteSpace 6.2.R2绘制科学知识图谱，语种设定为英语(English)，以1年为时间切片(Time Slice)，节点类型(Node Type)设置为国家(Country)、机构(Institution)、作者(Author)、被引期刊(Cited Journal)、关键词(Keyword)绘制相关知识图谱。

基于关键词共现图谱、聚类图谱、突现图谱总结近十年材料生物力学研究的相关动态具体表现为：生物力学与计算机技术的多学科交叉融合创新在临床诊断中为疾病分析、手术规划、治疗方式选择等提供精准的可视化资料，为材料生物力学研究提供新的方法和手段。有限元仿真分析是目前该领域研究的主要手段之一，是基于计算机断层成像数据的移动式立方体算法，目前多采用电子计算机断层扫描和磁共振成像，通过三维重建后的几何模型转换成有限元网络，将整体连续型结构转变为离散型，可以得出模型的连续性力学及物理变化参数[26-27]。有限元分析法的引入使得生物力学问题可以以数字化、标准化、程序化的方式得到解决。
当下，有限元分析法已被广泛应用于人类骨骼[28]、血管[29]、韧带及运动装备等领域[30-31]。在建立有限元模型的过程中，学者们通常关注边界条件的设定、模型的有效性验证以及不同工况下的力学响应[32]，用以剖析运动疾病的生物力学机制，探索手术治疗的可行性方案。有限元分析法具有测试不同组织结构接受多种载荷的优势，可以研究诸如腰背部损伤[33]、非接触性前交叉韧带断裂[34]、运动性骨损伤等运动疾病的生物力学机制[35]。通过将各种载荷条件作为所选本构方程的输入形式，结合材料属性、约束条件和接触行为的定义，确定人体结构在运动过程中的响应从而找寻诱发损伤的力学因素。例如，LU等[36]基于有限元模型计算第一跖趾关节的应力变化，通过不同踝关节角度条件下发现足部内外侧的应力差值以推测击剑运动过程中的不对称性，是诱发足踝结构损伤的原因。
手术规划中，植入物的选择是临床医师和科学家关注的重点。由于材料的孔隙率、硬度、弹性模量等性能的改变会引起组织发生生物学反应，易影响生物材料的组织相容性，造成身体免疫系统产生防御，不利于成为人体组织的替代品。有限元分析法利用数学近似对真实的物理系统进行模拟，已可以解决材料几何形状、材料特性、载荷条件的急性状态分析[37]，例如通过模型的建立与材料属性定义可以定于线弹性、非线性弹性材料、各向同性材料、各向异性材料等不同材料[38-40]。一般来说，模型的建立分为2种[41]：一种可以表现出韧带组织每个部分的机械性能，对各组织的材料属性定义清晰；另一种不参考组织组成而仿真整体的行为，旨在研究大多数膝关节置换、重建和移植手术。此外，材料属性与接触行为的定义要考虑所需材料的机械性能。有机材料在某种程度上与人体内部组织材料的特征相似，可作为肌肉、脂肪等在特定载荷下的生物材料替代物，在发病机制和临床治疗等方面显示出潜在前景[42]。金属板对骨骼的稳定性和供血能力有很大的影响[35]，GRYKO等[43]建立3种不同金属材料的模型，结果表明金属和骨具有相似的弹性模量，在骨科再生医学中金属材料更适合作为骨状强度支架。因此，生物医用金属材料的性能研究和临床筛选变得至关重要。无机材料良好的生物相容性、耐消毒灭菌性使其成为理想的医用材料。当前，无机材料已被广泛应用于牙用材料、骨科材料[44]，然而关于无机材料在该领域的研究相对较少，但随着与磷酸钙骨水泥复合材料、羟基磷灰石相关研究的兴起[45-46]，无机材料有望成为未来生物材料研究的热点话题。
就目前来看，生物材料在数百年的进化后已具有优于原始成分的机械性能，如何利用这些特性背后的自然机制以及复合材料的制造成为学者们关注的焦点，尤其是生物复合材料本身所具备的黏弹性、可磨性等。生物材料的特性不同，与之产生的力学响应也有所不同，例如：WAN团队[34]通过改变前交叉韧带的特性探究胫骨的运动学变化以及前交叉韧带的应力、应变变化；DOMENICI等[47]的研究中提到环境参数改变会导致材料特性的变化，从而影响动物性能和种群的持久性，这表明了生物体的结构与功能相统一的观点。基于以上观点，学者们探索了生物材料的黏弹性(包括线性与非线性)[37]、超弹性[48]、可磨性等[49]，并结合连续损伤力学理论构建有限元模型再现生物纤维组织的行为，或通过本构方程探寻材料本身的自然内部变量，实现生物医学体外植入和生物材料表面改性的目的。
随着分子生物学的革命和人类基因组的破译，材料生物力学研究进入到微观层面[50]。人体骨骼、软骨、韧带等组织间的运输中含有营养物质[51-52]、细胞因子[53]、信号分子等[54]，这些物质的运输涉及常规分子动力学[52]、原子分子动力学[55]、蒙特卡罗/分子动力学[51]、流体力学等[54]。一项有限元结果表明，关节载荷变化会促进骨骼和软骨间的流体运动，这些生物材料能够通过分子水平的运动改变其结构来响应机械力，并转化为控制许多生物和病理过程的生化信号，例如伤口愈合、组织重塑等[56]。然而，信号分子在组织间的运输方式仍然存在争议，如何通过生物力学模型解决分子生物学问题成为该领域未来研究的一大重难点。
研究基于文献计量统计与可视化分析，结合相关科学知识，对材料生物力学研究进行系统综述，得出以下结论：①近十年来，材料生物力学研究热度呈逐年递增的趋势，尽管部分年份存在波动；②研究是多学科交叉融合的产物，以生物医学工程为主，辅以体育学、机械学、骨科学等学科的细化探索；③美国、中国、德国等高校、科研所是研究的主要力量，但发文仅限于机构内作者合作，尚未构成核心作者群；④材料生物力学的研究热点聚焦在建立生物材料的三维模型，并通过有限元仿真获得在特定载荷下的力学响应，旨在探究运动疾病的机制、规划手术方案以及研究生物材料机械性能对机体组织力学微环境的影响等问题。通过全面深入地解释该领域的研究热点，呈现出该学科领域的创新进程。如前所述，中国在材料生物力学研究中尚未达到世界最高水平，未来同国际在该领域发展上均可加强各机构间合作，研究侧重于无机材料、有机材料等不同材料通过有限元分析法解决分子生物学、运动损伤等问题。
研究具有一定局限性：数据来源仅包括近十年Web of Science核心合集，可能会遗漏PubMed、CrossRef、IEEExplore等数据库的高质量文章。但是，研究所得出的结果依然值得借鉴，为后续研究提供参考。   中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

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文题释义：

可视化：使用视觉呈现的手段对数据进行总结的方法，优秀的数据可视化方法包括标准饼图、区域图、散点图、折线图、箱形图、条形图、柱状图以及例如树状图、时间流向图等不为人知但非常实用的方法。文献计量学的可视化分析是生成知识图谱，呈现科学知识的结构、规律和分布情况。
有限元：随着电子计算机的发展而迅速发展起来，应用于连续体力学领域静态和动态特性分析的一种有效的数值方法，是通过求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，求解过程中对整个问题进行分解，可用于解决各种瞬态和稳态下弹性、弹塑性或塑性问题。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

相较于系统综述回顾，文献计量是一种对文章进行总结和剖析的文本挖掘与分析方法。材料生物力学作为生物力学的分支学科，是研究骨骼、血管、肌腱、韧带等力学特征的学科，在材料工程、计算机科学、医学等领域的支持下，材料生物力学领域涌现了大量研究。使用CiteSpace文献计量软件可通过时间切片、阈值分割、建模、合并和映射等方法整合大量权威文献，并生成聚类知识图谱可视化呈现。在不同聚类之间，使用高中心性得分进行节点连接，为了觉可视化呈现中脱颖而出，可利用鲜艳的颜色强调中心性较强的关键词，以便更加清晰直观地了解材料生物力学当前研究的热点话题与前沿领域。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

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