医用镁合金材料研究趋势与热点追踪

医用镁合金材料研究趋势与热点追踪

医用镁合金材料是一种新型可降解生物医用材料，具有与人体骨组织相近的密度和弹性模量，有利于减少应力遮挡效应。医用镁合金材料的生物相容性优良，植入体内后可自动降解并释放无害离子，促进组织恢复，避免二次手术痛苦，在骨科、心血管及口腔等领域应用广泛。

文献计量学分析方法

文献计量学是一门结合数学、统计学和文献学的交叉科学，不仅可定量分析各种知识载体，还通过揭示文献的产生、传播和使用，来进一步揭示某一学术领域的研究热点和发展趋势。

研究背景与目的

医用镁合金材料相关研究成果逐年增多，然而医用镁合金材料领域的文献尚未通过计量学分析进行系统评估。本研究旨在展示医用镁合金材料的研究现状，探讨该领域研究趋势与热点。

研究方法

以Web of Science核心集数据库为文献来源，检索2014-2024年医用镁合金材料的相关文献。运用CiteSpace软件，以作者、国家、机构、期刊、关键词及共被引为节点，生成知识图谱并进行可视化分析。

研究结果与结论

发文量分析

文献发文量作为反映某一领域发展水平和规律的重要指标，在一定程度上能预测该领域的未来动态。从整体上看，医用镁合金材料研究领域2014-2023年发文量整体呈上升趋势，2023年发文量最多，由于2024年只收录了6个月数据，因此呈现出下降趋势。在2019-2020年期间，可能受全球COVID-19病毒疫情影响，发文量出现小幅度的下降。总体而言，该领域文献数量呈稳定增长趋势，这表明近10年医用镁合金材料具有较好的研究基础并受到研究人员的广泛重视，相关研究态势整体偏好，预期未来发文量也将持续增长。

作者分析

分析发文作者及其合作网络，是评估领域研究主体及核心团队成熟度的重要指标。运用CiteSpace软件得到作者合作网络图谱，图谱中的圆圈及标签大小代表作者发表论文的数量，圆圈之间的连线代表作者之间存在合作关系，连线越密切合作越密切，连线宽度体现合作强度，圆圈节点若存在紫色的外圈，表明具有高中介中心性(中心性大于0.1)。医用镁合金材料领域发文作者对应的圆圈数、连线数、网络密度分别为284，517和0.012 9。由图可知，该领域已形成以郑玉峰、Willumeit-roemer Regine、Wen Cuie为代表的科研合作网络呈现成果产出多、科研合作密切的特点。对纳入的发文作者和发文量进行分析，其中包括284名作者，发表论文数最多的是来自北京大学的郑玉峰教授，发表相关文章65篇。按照普赖斯公式，核心作者的最低发文量M≈0.749×1/2Nmax(其中Nmax为最高发文量)，带入该领域最高发文量可得M≈24，即发文量在24篇及以上的作者为核心作者，共9位，总发文量为294篇，形成了该领域的核心作者群。但核心作者的总发文量尚未达到该领域总发文量的50%，表明核心作者的贡献率还较低，有待进一步提高。

表1列出了该领域发文量排名前5位的核心作者，其中发文量排名第1的郑玉峰教授的研究方向主要涉及新型生物医用金属材料(医用钛合金、镁合金、铁基合金、大块非晶合金等)与器械(口腔、骨科、介入心血管)。

国家分析

图3及表2，3分别展示了医用镁合金材料研究的国家共现图谱、论文数量和中心性排名前10位的国家。在国家共现网络图谱中，发表论文数最多的国家是中国(815篇)，其次分别为美国(236篇)、德国(233篇)、印度(147篇)和澳大利亚(109篇)，说明这些国家在该领域的研究较为活跃，研究成果可观。进一步分析中心性数据可知，中心性超过0.1的国家有5个，分别是德国(0.39)、美国(0.27)、中国(0.22)、印度(0.14)和英国(0.12)，表明这些国家在该领域具有较高的合作度和影响力。尽管中国在发文量上遥遥领先，但是中心性排名第三，还需要在提升论文质量上发力，通过加强国际间合作，争取在高水平期刊上发表更多高质量论文，进一步提高国际影响力。

机构分析

研究机构是专注于执行一项乃至多项科研任务的专门机构，在某种程度上可被视为学术社群或研究共同体的象征性表述。图4为医用镁合金材料领域重要机构合作共现图谱，共纳入206个机构，连线数、网络密度分别为612和0.029。表4罗列了该领域发文数排名前10的机构，其中有一半机构来自中国，它们的总发文数量达420篇，在该研究领域内处于显著领先地位。发文量第一的机构是中国科学院，发文量为120篇，中心性为0.23。最大的合作网络是以北京大学为中心的合作机构，其构成的合作机构群体包括中国科学院、Helmholtz-Zentrum Hereon研究所、皇家墨尔本理工大学、上海交通大学等科研院所和高校，其中该领域研究的先锋机构为北京大学和中国科学院。北京大学主要围绕镁基可降解金属的高生物可降解性、良好的机械性能和生物相容性，深入研究了对镁合金在骨科、心脑血管、抗肿瘤治疗等领域的临床应用；中国科学院主要基于“医用金属材料生物功能化”这一概念，利用镁合金在生理环境中降解形成的碱性环境以及持续释放镁离子的特点，开展赋予可降解镁合金抗菌、促成骨、促血管化等多重生物医学功能的研究。

期刊共被引网络分析

图5和表5分别为医用镁合金材料研究领域的期刊共被引网络分析图和中心性排名前5位的期刊。发文期刊对应的圆圈数、连线数、网络密度分别为277，1 198和0.031 3。通过分析该领域发文期刊被引频次与发文量的平均值得出，该领域有影响力的期刊包括《ACTA BIOMATER》《BIOMATERIALS》《MAT SCI ENG C-MATER》《CORROS SCI》和《J ALLOY COMPD》，这些期刊也确实具有较高的影响因子(表6)。分析被引用期刊之间的中心性可知，中心性排名前5位的期刊分别为《J BIOMED MATER RES A》《HEART》《MAT SCI ENG A-STRUCT》《MATERIALS》和《J MATER PROCESS TECH》，这些期刊在一定程度上连接了其他期刊，但是中心性都未超过0.1，说明未来该领域各期刊之间还应加强科研合作，组织更多跨学科、跨领域的学术活动。

使用CiteSpace软件对期刊进行突现分析发现，在爆发力最强的前15个突现词中，期刊《BIOACT MATER》的爆发强度最大，该期刊涵盖生物活性材料的各个方面，涉猎生物活性金属和合金、生物活性无机物、生物活性聚合物和凝胶、生物活性复合材料等方向，见图6。《BIOACT MATER》在医用镁合金材料研究的爆发时间开始于2022年，并持续爆发至2024年，说明近几年该期刊的关注度大幅度增加，研究人员更倾向于在该期刊上发表相关研究成果，预计未来该期刊的领域影响力将进一步扩大。

关键词分析

关键词是文章精髓的精炼表达，在特定领域内能一定程度上映射出当前研究的热点方向。关键词在文中被提及的次数为频次，频次愈高往往代表研究更为详尽和深入；此外，关键词在整体研究架构中的位置，以中心性来衡量，中心性越强，意味着该关键词在构建知识体系或研究网络时占据更为核心和关键的位置。图7为医用镁合金材料研究的关键词共现图，图谱中的节点及标签大小反映关键词的频次，节点越大说明该关键词词频越大，与主题的相关性越大。表7和表8分别为频次和中心性排名前10位的关键词。剔除与论文主题高度相关的关键词，如magnesium alloys(镁合金)、az31(az31镁合金)、mg alloy(镁合金)外，频次最高的关键词是mechanical property(机械性能，807次)，表明医用镁合金作为极具潜力的生物医用材料，其机械性能受到研究人员的高度关注。就中心性而言，排名前列的microstructure(微观结构)、degradation(降解)、in vitro(体外实验)、Biocompatibility(生物相容性)、in vitro degradation(体外降解)、mechanical properties(机械性能)、corrosion resistance(耐腐蚀性)、surface modification(表面改性)的中心性一样(0.04)且都不高，说明研究人员对医用镁合金材料的微观结构、降解行为、生物相容性、机械性能以及耐腐蚀性能等都较为关注，但关注点相对较散，将其关联起来研究的程度还不够，未来应该进行更深入的探索。

关键词中的突现词不仅能够揭示该学科领域当前的研究热点与前沿趋势，同时还能动态地勾勒出这些研究热点随时间推进的演变历程。使用CiteSpace软件对文献关键词进行突现分析。图8A展示了按照突现强度排序的前15个关键词，“Strength”为关键词的突现强度，其中in vivo corrosion(体内腐蚀)的爆发强度最大，这说明医用镁合金材料在植入活体后的腐蚀情况始终是研究人员的观察重点，因为镁合金可降解生物材料的一个重要性能指标是降解速率，即腐蚀速率，这一指标不仅直接关系到组织愈合期，还影响到降解过程中生物材料机械性能的损失。图8B展示了按照时间顺序排列的前15个突现关键词，“Begin”为开始时间，“End”为结束时间。据图可大概梳理近10年医用镁合金材料研究热点的变化情况，2014-2018年研究人员主要关注医用镁合金材料作为支架、骨钉等植入物时的腐蚀情况，2019-2021年对于医用镁合金材料制备方法的研究较多，如增材制造、电泳沉积等，2022至2024年6月，除了力学性能和耐腐蚀性能，医用镁合金材料的抗菌活性以及促进骨再生性能等成为了研究人员的关注焦点。

高被引文献分析

高引用论文被认为是该领域最具影响力的研究论文。共被引分析可用于精选引文中的重要参考文献，揭示领域前沿演变，预测未来研究方向。使用CiteSpace软件进行文献共被引分析，图9为使用似然估计算法对被引文献聚类后的图谱，从图谱中可知共形成6个聚类，聚类模块化值和聚类平均轮廓值分别为0.564 9和0.864 4。通常情况下，聚类模块化值> 0.5表明该聚类结构显著，聚类平均轮廓值> 0.7则被认为该聚类结果是有价值的，说明文献具有较高的同质性，反映研究人员对医用镁合金材料的研究较为专注和深入。聚类标签从0开始依次变大，标签序号越小表明对应聚类中文献规模越大。对聚类标签进一步分析，剔除与论文主题高度相关的聚类(#0 magnesium alloys、#1 magnesium)外，剩下的四大聚类为#2 zinc(锌)、#3 powder metallurgy(粉末冶金)、#4 additive manufacturing(增材制造)和#5 mechanical properties(机械性能)。通过以上聚类可以看出，研究最广泛的是镁合金材料的制备方法以及该材料在生物医用领域具体应用时相关性能的变化情况，例如怎样利用合金化提升镁合金各项性能，特别是添加锌(Zn)元素对镁合金性能的影响。表9罗列了共被引频次前5位的文献，其中被引次数最多的文献是一篇综述，主要论述了镁合金材料的降解机制及其降解环境的影响因素，包括机械完整性的退化和降解产物的新陈代谢过程。

为了深入洞察医用镁合金材料研究的焦点演变与未来发展趋势，针对前6个聚类绘制了时间线图和突现图，如图10和图11所示。在时间线图中，圆圈节点越大表示获得的关注越多；圆圈节点颜色代表时间，颜色越暖、时间越近，颜色越冷、时代越久远。结合共被引聚类图谱发现，在该领域的相关研究中，对医用镁合金材料制备和植入体内后的机械性能转变以及腐蚀行为的研究较为深入，呈现出研究时间早、持续时间长的特点。而近年来针对纯镁材料在机械强度不足与降解速率过快方面的固有局限，通过合金化和表面改性等技术增强其机械强度及耐腐蚀性能的研究成为热点。这一趋势在图10的突现性分析中得到了鲜明体现，特别是在2021-2024年间，多篇高被引文献都探讨了利用合金化提升生物可降解材料的抗压强度，如通过添加钙(Ca)元素可以细化镁的微观结构，提高其在高温下的强度和蠕变性能，同时添加锌(Zn)和锶(Sr)等元素时能提高镁合金的强度和延展性。

总结与展望

医用镁合金材料的研究领域在过去十年中取得了显著进展，特别是在材料的微观结构、降解行为、生物相容性、机械性能及耐腐蚀性等方面。中国在该领域的研究最为活跃，但需要进一步提升论文质量和国际影响力。未来的研究趋势可能集中在通过合金化技术赋予医用合金材料多元化特性，以及通过多种改性手段调控医用镁合金材料的降解模式，以实现更精准的生物适配。同时，针对特定应用场景，实现从单一材料设计向结构和功能整体设计的转变，定制化开发镁合金制品将是重要的发展方向。