纳米领域文献计量分析研究的新方法

2023-08-08 10:17浏览数:258 


纳米领域文献计量分析研究的新方法

作者:朱双,谷战军

单位:中国科学院高能物理研究所


科学论文是科学研究成果最主要的载体之一,是最具普遍意义的科学产出形式。它是科学技术发展重要科技信息源,是记录科技学术进步、重大发明或改革的历史性文件。然而,学术的成长通常需要经历实践、总结、再实践和再总结这一循环往复的过程,研究内容达到一定数量后,特别是交叉学科研究的出现,使得研究方向变得不再清晰。为了理清特定领域的研究状况有必要对该领域论文进行系统整理。

近年来,利用文献计量学对科学论文进行定性定量化分析的研究越来越受到科学家的青睐。文献计量学是一种采用数学、统计学等计量研究方法分析大量书籍、文章或其他出版物,同时利用计算机图形和图像处理技术,将数据转化为图形向读者展示出来的方法。该方法搜索论文的数量庞大,可对论文发表数量,研究热点,研究方法,国家/机构/作者分布等进行总结;引用的参考文献多是一些高被引论文。利用文献计量学可以研究文献信息的分布结构、数量关系和变化规律,进而探讨某个杂志或研究领域的研究结构、特征和规律;并可定量地揭示某一学术领域的发展历程、研究重点以及未来的研究方向。文献计量学的分析是基于大数据分析的一种研究不同科研领域知识结构的新方法,主要有以下几个特点:

宏观性:系统收纳领域的全部数据信息;

真实性:使用全局数据,其统计结果更为精确,更接近真相;数据和处理方法真实可靠;

客观性:利用全局数据提供的分析结果来归纳和演绎科学的发展规律,通过掌握领域发展规律进行科学分析。

可视性:利用计算机图形和图像处理技术,将数据转化为不同形式的图表展示

快速性:计算机处理提高数据处理效率


利用文献计量学方法,可客观地分析特定领域、国家/机构、出版社或某位作者的研究发展规模,评价和预测科学研究的现状与发展趋势,进而推动相关领域的发展。同时,厘清前沿科技的发展也可为相关机构和国家制定宏观政策提供参考。


基于此,本文以纳米科技领域为例,介绍文献计量学从一个宏观角度对科学研究领域发展分析的应用。纳米科学技术目前已经成为世界科学研究的前沿之一。像抗生素、集成电路和人造聚合物在微米世纪发挥重要作用一样,纳米技术在新世纪也给人类的生产、生活带来无处不在的影响,纳米科学研究领域发展到现在,近几年每年发表的论文可达数万篇。深入了解纳米科技在不同领域的前沿热点和发展趋势,可从宏观的角度统领研究领域的发展,客观分析研究的现状和趋势,并挖掘出新颖的方向或者主题进行研究。我们运用文献计量学的方法,借助Web of Science, VosviewerCitespace等工具,对不同的纳米领域进行系统分析,由浅入深地分析纳米科技在生物医学领域中的应用,开辟了利用文献计量学分析纳米科技研究领域分析的先河。研究框架如下图所示:



期刊分析


文献计量学可系统分析某个作者、机构、国家和期刊杂志的研究分布、研究主题和现状趋势。以期刊为例,我们分别对纳米领域的几个重要期刊,如SmallAdvanced Healthcare MaterialsNano Today杂志进行了系统的分析。


特定领域分析

利用文献计量学可分析某个杂志在特定领域的研究进展。纳米生物安全领域是Small期刊的重要方向之一。我们对该杂志相关领域的文献类型、作者、机构、国家和高频词被引文章进行了量化统计,并使用CiteSpace软件进行科学文献可视化分析。自创刊以来,Small期刊发表的纳米安全相关的文章数量多年来呈增长趋势,其中发表文章量最多的国家依次是中国,美国和德国;文章发表量最高的研究机构是中国科学院。对高引论文进行分析时发现,金纳米颗粒是最受关注的纳米粒子种类;尺寸因素是研究最多的纳米毒性影响因素;纳米粒子的生物毒性机理,如胞吞作用、细胞膜破裂、氧化应激、DNA损伤等都是研究者关注的重点。另外,科学家们还利用不同生物模型,例如细胞系,大鼠,微生物,水生生物或者植物等来解释和预测纳米粒子在生物环境中的行为,以便了解纳米粒子可能造成的危害。然而,当我们重新审视这个研究领域,这么多年来我们一直还是沿用传统的颗粒毒理学研究方法和思路来研究纳米毒理学,‘纳米特定危害”、纳米颗粒对生物或生态系统的长期安全性和纳米安全研究的标准都缺乏深入的研究。这或是未来该领域研究的重要方向(Zhu et al. Small 2020, 16, 2000980


期刊全面分析

除了对某个杂志的特定领域进行分析以外,进一步可对杂志进行全面分析。Advanced Healthcare MaterialsAHM)在医疗保健生物材料领域是领先的期刊之一,不断推出旨在促进人类健康的生物材料科学的最新研究成果。在其创刊十年之际,我们借助WOS数据库和VOSviewer软件,研究了基于AHM分析医疗保健工程材料领域的主要研究趋势。分析发现,医疗保健材料领域研究最广泛的应用主题主要有:生物医学应用、组织工程应用、生物医学设备的应用、抗菌和伤口愈合应用。新型研究热点主要聚焦于3D生物打印;生物打印与微流控技术(如organ-on-a-chip),允许对个别病例进行体外毒性筛选或药物发现;可穿戴(wearables)传感器可以对个人进行个性化健康监测。这些也反映了生物材料医疗健康应用的研究趋势是从以一般疾病为中心的研究转向以精确治疗为中心的研究。利用文献计量学技术,可为读者提供一个较为客观的分析,揭示某一学术领域的发展历程、研究重点以及未来的研究方向。Zhu et al. Adv. Healthcare Mater. 2021, 2002222

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另外,在纳米科学和纳米技术领域,Nano Today不断为世界各地的研究人员提供一个交流平台,展示他们最新有价值和创造性的研究成果。为迎接其创刊15周年,我们利用文献计量学的方法分析了其主要的研究领域,这可为纳米科学和纳米技术的发展趋势提供一个全面的分析。结果表明,研究最多的纳米材料是碳基纳米材料(如碳纳米管、石墨烯或还原石墨烯)、金属纳米材料(例如金或银纳米颗粒)和磁性纳米材料(例如氧化铁纳米颗粒)。研究最多的领域是生物医学应用,特别是癌症的诊断和治疗;能源工程应用,Graphene/GO/rGO或碳纳米管等碳基纳米颗粒应用广泛;纳米颗粒的合成和性质研究;组织工程应用。另外,纳米技术的发展也与产业界的进展息息相关。例如,近几年比较热门的纳米免疫疗法与检查点抑制剂和CAR-T疗法在临床肿瘤治疗中的突破有关,而开发一个以氢为主的系统与现代能源供应里脱碳的政策也是呼应的。不难看出,科学研究和产业界的发展是息息相关的,二者相互影响,互相促进,共同推动科技发展。Zhu et al. Nano Today 2021101233



研究领域分析


材料角度

纳米科技已广泛应用在信息技术、医学、环境科学、自动化技术、能源科学等领域,以纳米技术在生物医学领域中的应用为例,利用文献计量学可从不同角度和层次分析不同纳米材料在该领域的应用。


钨基和钼基材料分析

利用文献计量学对特定的元素-钨基纳米材料在生物医学领域的研究进行了进展分析。钨基纳米材料(tungsten - WS2 or WSe2 or WC or WN or WOX)是一种多功能纳米材料,具有良好的热、电子、光学、催化、光子和尺寸特性,近年来在生物医学领域应用广泛。Web of Science上共获得tungsten-biomedicine文献1767篇,利用文献计量学针对年份、国家、研究所、相关杂志等参数进行文献计量统计和分析;利用关键词法客观分析钨基纳米材料生物医学的研究热点和发展,包括生物传感器(电化学/光电化学/荧光/比色/表面等离子体共振)、癌症诊疗(CT/光声成像、光热疗法/放疗/光动力疗法/载药)、抗菌和生物安全四个钨基生物医药研究的热点领域;重点介绍了钨基纳米材料在各种生物医学场景中的功能、相关性质和研究进展。像这样用宏观的方法来客观地获取并分析该领域研究热点,有利于为研究者提供一个清晰的研究脉络,更有目的地促进领域的发展并挖掘和促进新应用研究。Gu et al. Adv. Mater. 2022, 2204397)。钼基纳米材料在生物医学领域的进展详见Wang et al. Tungsten 2023, DOI: 10.1007/s42864-023-00225-1


过渡金属二硫化物材料分析

过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenidesMX2-M代表过渡金属原子包括Mo/W/Re/ Ti/Hf/Nb/Ta等;X代表硫原子如S/Se/Te)由于其具有大的比表面积,独特的形貌、电子、光学、热学、结构和力学性能,在生物医学领域应用广泛。我们也对其在生物医学应用方面的工作进行文献计量分析。我们客观总结和分析TMDC生物医学领域的研究热点,其中包括生物传感、生物电子学、癌症治疗、抗菌材料和组织工程。重点介绍了TMDC在各种生物医学场景中的功能、相关性质、研究进展及挑战,并对新型TMDC相关生物材料的设计、潜在的新生物医学应用及其临床转化提出了展望。不同于某一元素的材料分析,该工作聚焦于一类材料的研究,拓宽文献计量学在纳米技术领域分析的范围。Liu et al. Chinese Chemical Letters 2021, 3762


接下来,我们把研究范围拓宽到更广阔的领域,分析了二维纳米材料生物医学领域的研究进展。二维(2D)纳米材料包括多种元素,从过渡金属到硼///硫基团。通常包括石墨烯及其衍生物(graphene, GO, rGO)、过渡金属二硫化物(TMDC, MoS2WS2WSe2)、过渡金属氧化物(TMOs, TiO2MnO2)、金属碳化物和氮化物(MXene,如Ta4C3Tx),单元素材料(如磷烯、硅烯、锗烷)、层状双氢氧化物(LDH)、六方氮化硼(hBN)、石墨碳氮化物(g-C3N4)或硅酸盐粘土(纳米粘土)。其广泛的材料种类也决定了其性质的多样性,在比表面积、电性能(从绝缘体到半导体,再到金属,甚至超导体)、机械、热、电子、磁、压电、光学、光子和催化等方面表现出不同的性能。该领域研究广泛,过去10年中每年约1000篇论文的平均发表率;目前有许多综述文章从不同角度总结这个领域,但都相对比较片面;由于二维生物医学的文章数量之多,目前还没有一项研究客观地总结或分析这一重要领域的研究趋势。我们利用文献计量学,从宏观角度客观分析了过去10年二维纳米材料在生物医学应用中的研究趋势。Web of Science上共获得2D nanomaterials-biomedicine文献10317篇,利用文献计量学客观分析2D材料生物医学领域的研究热点,其中包括生物传感、成像/治疗、抗菌和组织工程。在分析中,我们利用文献计量学挖掘高度引用(最受关注)或最近发表(最新进展)的工作,可以更好地说明某一领域的最重要进展;此外,实例覆盖不同类型的2D纳米物质作为示例,旨在体现材料多样性;为了使该领域的初学者受益,文中还列出通过文献计量学得到的代表性文章,可以作为重点参考以使读者了解2D纳米医学领域。文章从一个新颖、客观的角度,分析了二维纳米材料在生物医学研究中的发展趋势,为推动未来的研究朝着更加实用的方向发展提供了参考。Zhu et al. Advanced Drug Delivery Reviews 2022, 114420

生物医学角度

除材料角度外,还可从具体的应用领域出发,利用文献计量学分析纳米科技在不同生物医学领域的应用。客观分析目前研究现状与发展趋势,为读者提供更全面宏观的信息,进而推动相关领域的发展。


纳米材料在心血管疾病的应用

心血管疾病(CVD)是全世界死亡率和发病率最高的原因之一。由于心肌组织的再生能力有限,死亡细胞通常被无收缩性的胶原瘢痕所替代。因此,心肌丢失和细胞外基质重建可能导致心力衰竭,并恶化患者的长期预后,因此CVD的早期诊断和治疗以及促进心脏修复是CVD治疗的关键。纳米技术基于其独特的特性,可以为CVD诊断和治疗提供新的改进方法,例如,纳米材料的成像特性,如MRICT成像的对比能力,可提高临床MRICT等成像技术;基于其电或光致发光特性,用于生物传感器的早期CVD检测;纳米尺寸特性赋予其良好的载药能力,通过适当的修饰可实现靶向或诊疗一体,精确有效的CVD治疗;纳米材料还可以进一步用于组织工程,以模拟细胞外基质和细胞微环境。基于此,我们通过文献计量分析对纳米技术CVD领域进行全面综述,目的是理清当前的研究进展,总结功能纳米粒子在临床CVD的应用,并进一步推动纳米材料在CVD领域的临床转化。在Web of Science上共获得Nano-CVD文献9524篇,主要研究领域分布在药物传递(28%)、组织工程(24%)、成像(19%)和生物传感器(12%)。通过对高引文章的分析,介绍了纳米材料在这四个领域的应用,每个领域都针对目前临床心血管疾病最关键的挑战提出了纳米技术可提供可能的解决方案,也总结了正在临床实验或已经使用到临床上的纳米技术。这个工作不仅为相关领域的基础科学研究人员提供一些新颖的、与临床实际结合的研究思路,也为心血管疾病领域的医生对临床难以克服的疾病提供了基于纳米技术的解决方案。Zheng et al. Nano Today 2022, 101453


纳米材料在阿尔茨海默诊疗中的应用

阿尔茨海默病(Alzheimer’s diseaseAD)是一种最具灾难性的神经退行性疾病,特征是记忆丧失和认知功能的进行性和永久性恶化目前无特效药根治。其中, AD的致病通路繁多,多通路的检测十分困难。因此,建立可靠的诊断生物标志物和确定有效的治疗靶点仍然是一个巨大的挑战;同时,血脑屏障(BBBAD药物传递的主要障碍。而纳米技术的快速发展为完善AD的早期诊断和治疗提供了前所未有的机会。由于高比表面积和量子尺寸效应,纳米颗粒具有高度特异的物理化学和电子特性,可用于构建高性能生物传感器,作为信号增强的放大器或固定生物标志物,用于早期诊断阶段检测AD相关生物标记物;同时,纳米颗粒介导的临床成像技术可以提供局部蛋白质积累的观察,为AD诊断起到补充作用。在治疗方面,纳米颗粒可以作为药物载体发挥作用。除了改善药物的水溶性和稳定性外,纳米颗粒还具有控制药物释放和定位靶向的潜力,这不仅增强了治疗效果,而且减少了对正常组织的副作用。此外,经过修饰的纳米材料还可以通过基于不同致病机制的分子尺度相互作用,与组织、细胞甚至细胞器相互作用,直接影响疾病的进展。基于此,我们利用文献计量学系统地研究了纳米技术在AD诊疗中的应用,从疾病的致病机理和药物作用机理角度详细描述了纳米材料作为纳米药物、药物递送载体和传感器/成像中的应用。(Li et al. Nano Today 2022, 101654




纳米材料在自身免疫性疾病中的应用

自身免疫疾病是一种复杂的慢性疾病,其特征是对自身组织的异常免疫反应,导致器官破坏/功能障碍,甚至致命。目前,已发现100多种自身免疫性疾病,都是由于对自身抗原的耐受失败所致病。针对这种可怕的疾病,其早期诊断和及时治疗是最理想的治疗测了,但由于病种的繁多、不同疾病之间的相似性以及不显著的早期症状给临床诊断带来了困难,而纳米技术在传感器、药物递送和组织工程中的优势为自勉疾病带来新的诊疗方式。利用文献计量学发现,纳米技术在自免中的应用聚焦在治疗(64%)、成像(14%)和传感器(5%);同时列举目前已应用在临床的纳米药物,展示了纳米技术在诊断和治疗自身免疫性疾病中的具体应用和临床意义,通过分析也指出纳米材料在该领域应用中面临的挑战和机遇:除了安全性和材料物化性质调控问题外,纳米材料的免疫调节机制、治疗平台的标准化、诊疗一体的平台建设都可以作为未来研究的重点。(He et al. Nano Today 2022, 101694



结语

综上所述,文献计量学综述类论文强调对以往研究的整理,以期发现研究的现状与不足,并对未来发展做预测,它可以从一个宏观的角度,客观地对某个杂志、出版社、或是某一学术领域的发展历程、研究重点以及未来的研究方向做分析和预测。我们以纳米材料在生物医学应用领域的研究为例,介绍了几种文献计量学在分析科学研究进展的实例。该方法记录并反映技术发展历史和现状,利用此技术研究文献可以客观定位技术发展阶段和预测技术生命周期。本文简单地对我们近期相关的工作进行了部分梳理,介绍了一种呈现研究领域知识结构的新技术,以期寻求更多的交流与探讨,共同促进不同研究技术的发展!