CCR综述:铋基材料在生物医学领域应用的宏观分析

2024-06-25 07:53浏览数:24 

标题: Advances in bismuth utilization for biomedical applications – From a bibliometric perspective

基材料在生物医学领域应用的宏观分析


者: Chenglu Gu, Shuang Zhu, Zhanjun Gu

Coordination Chemistry Reviews, 517(2024), 215988


一.前言

在历经数个世纪的医疗实践后,铋这一具有悠久治疗历史的元素,正迎来它在生物医学领域的全新篇章。近日谷战军课题组在Coordination Chemistry Reviews杂志上发表题为“Advances in Bismuth Utilization for Biomedical Applications – From A Bibliometric Perspective”的综述研究。该综述基于文献计量学方法,对文章关键词共现进行深入分析,对铋及其化合物的广泛生物医学应用进行了总结讨论(图1)。该综述文章为读者提供了一个全面的视角,系统地梳理了铋及其化合物等在生物医学方面的研究趋势和发展方向。文章中突出了生物传感、抗癌治疗、抗菌作用、组织工程及辐射防护等关键研究领域,并特别强调了铋材料多样的形态及其独特功能的重要性。展望未来,铋基生物材料的不断发展和优化预示着医学、生物技术和材料科学领域的革新潜能。随着研究的持续推进和技术的不断进步,铋基材料预期将为各类应用包括疾病的诊断、治疗和预防做出重要贡献,为人类健康和福祉带来积极影响。中国科学院高能物理研究所的朱双博士和谷战军研究员为文章的共同通讯作者,课题组博士生顾铖璐为文章第一作者。


二.文献计量分析

  • 数据收集:基于Web of Science (WoS) 核心集合的数据收集,时间跨度为2003年至2023年,语言限定为英语。

  • 可视化和分析:使用WoS的本地功能和VOSviewer软件进行数据分析和可视化。

1. 研究增长趋势:通过分析2000年至2023年间的Web of Science (WoS) 数据库中的出版物,发现关于铋的生物医学应用的出版物数量持续稳定增长,表明这一领域受到持续且日益增长的关注。

2. 主要贡献国家/机构:分析显示,美国、德国、法国和中国是进行铋生物医学应用研究的最富有成效和影响力的国家。此外,中国在该领域的研究产出增长迅速,预示着未来可能成为更有影响力的参与者。

3. 研究热点领域:通过关键词共现网络分析,识别出铋在生物医学应用中的五个主要研究领域:生物传感、抗癌治疗、抗菌剂、辐射防护和组织工程。

4. 研究发展趋势:通过分析关键词的时间分布,可以推断特定研究领域的发展动态。例如,早期的研究主要集中在胃肠道疾病,而最新的研究方向则扩展到传感技术和抗癌治疗。

5. 研究质量与学术影响力:通过H指数和每篇论文的引用次数来评估国家的研究质量和学术影响力。美国和德国在研究质量方面领先,而中国的研究产出虽然数量大,但在引用次数和H指数方面相对较低。


1. 基于文献计量学的关键词共现分析

三.铋基纳米材料的生物医学研究热点

1. 生物传感(Biological Sensing)

机制:铋及其化合物因其独特的电子性质和表面活性,被用于开发各种生物传感器,如电化学传感器、光电化学传感器等。这些传感器利用铋材料的电催化性能和光吸收特性,将生物分子的识别转换为可测量的电信号或光信号。

材料设计:通过优化铋纳米结构的形态、尺寸和化学组成,增强其对生物分子的固定能力和电化学或光电化学响应。例如,设计了不同维度的纳米结构(如0D纳米粒子、1D纳米线、2D纳米片)和异质结构来提升传感器性能。

应用:这些传感器被应用于疾病标志物的检测、药物筛选、环境监测等。


2. 抗癌应用(Anticancer Applications)

机制:铋化合物和铋基纳米材料(BBNs)通过化疗、光热疗法(PTT)、光动力疗法(PDT)等手段,对癌细胞产生杀伤效果。铋的放射性同位素Bi-213用于放射性免疫疗法(RIT),通过高线性能量传递(LET)直接破坏肿瘤细胞的DNA。

材料设计:设计了具有近红外吸收能力的BBNs,用于PTT和PAI;开发了多功能纳米平台,用于药物运输和协同疗法;利用Bi-213的放射性,开发了针对特定癌症细胞的免疫偶联物。

应用:用于癌症的诊断和治疗,包括成像引导的治疗和多模式治疗策略。


3. 抗菌应用(Antimicrobial Applications)

机制:铋药物通过与细菌蛋白或肽的特定结合,干扰细菌的代谢途径和生存机制。铋的三价离子(Bi(III))具有强的配位能力和极化能力,能够与细菌的硫醇和羟基团结合。

材料设计:开发了铋的有机金属配合物和铋基纳米材料,这些材料具有改进的抗菌性能和生物相容性。通过纳米技术,可以提高铋的分散性和稳定性,增强其抗菌效果。

应用:铋药物在临床上用于治疗由幽门螺杆菌(H. pylori)引起的胃肠道疾病,以及开发新的抗菌剂来对抗耐药菌株。


4. 辐射防护(Radiation Protection)

机制:铋因其高原子序数(Z=83)和良好的X射线衰减能力,被用于屏蔽放射性辐射。

材料设计:开发了含铋的玻璃系统和纳米复合材料,用于制造辐射防护服、防护罩和其他防护设备。

应用:在医疗成像、放射治疗和其他需要辐射防护的环境中应用。


5. 组织工程(Tissue Engineering)

机制:铋及其化合物因其生物安全性和可控的生物降解性,在组织工程中作为潜在的生物材料。

材料设计:将铋化合物如Bi2O3结合到骨水泥、生物活性玻璃和其他复合材料中,以促进骨组织再生和修复。

应用:在牙科和骨科手术中,作为骨修复和再生的支架材料。

2. 铋在生物医学领域的主要研究热点。

.结论

铋在生物医学领域的应用已经广泛且在过去二十年中稳步增长。文献计量分析允许对研究领域进行定量评估,并提供了对该领域发展的更广泛理解。基于出版物、年增长率、贡献国家/机构和关键词共现的分析,确定了显著的生物医学应用,包括生物传感、癌症治疗、抗菌、辐射防护和组织工程。通过优化形态、微观结构和化学组成,各种(生物)传感器取得了显著改进,特别是纳米结构的发展。铋的独特特性,如高电子转移率、类酶活性和易于表面修饰,使其有可能彻底改变我们诊断疾病、监测生命体征和筛选药物的方式。就抗癌治疗而言,铋复合物显示出可能的抗癌活性。关于BBNs,它们在癌症诊断和治疗中的光激发活性、强大的X射线衰减效果和高负载能力受到了越来越多的关注。提出了结构调整、掺杂、异质结构构建和表面功能化等策略,以增强它们的能力或克服生物相容性和溶解度差等限制。铋的放射性同位素Bi-213作为高LET辐射的发射体,是TAT的潜在候选者,因为它能够直接根除细胞,无论细胞的氧合情况如何,毒性低,且DNA损伤不可修复。最近的研究集中在开发适当的靶向分子和螯合剂上,以稳定地保持Bi-213/212并有效地将其结合到抗体或肽上,为癌细胞提供精确和高剂量的治疗辐射。抗菌治疗是铋药物最古老和最成熟的领域,其中幽门螺杆菌的根除是最关键的应用,因为它与许多致命疾病的发生和发展有关。最近的研究发现,通过优化铋复合物的结构和纳米结构,可以增强铋的抗菌能力。在医疗设备领域,铋因其高辐射吸收、令人满意的生物相容性和低成本而显示出作为辐射防护的领先替代品的潜力。尽管已经进行了大量工作,但进一步探索铋的其他化合物、纳米结构和新颖的制备技术,可以开发出具有更高效率的新型非铅辐射屏蔽材料。最后,铋已被广泛用作牙科治疗中的高密度材料和牙髓填充剂,以及骨科手术中用于组织修复的多功能骨再生支架。总的来说,含铋生物材料继续推进牙齿/骨骼修复治疗选择,并改善患者的治疗结果。