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。"

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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。"

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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。"