《Biosensors》：A Decade of Research at the Intersection of Additive Manufacturing and Wearable Technology: A Bibliometric Analysis (2015–2025)
H. Kursat Celik,
Samet ?ahin,
Allan E. W. Rennie,
Nuri Caglayan and
Ibrahim Akinci
编辑推荐：
这篇综述通过整合Web of Science、Scopus和PubMed三大数据库的文献，对2015-2025年间增材制造(AM)与可穿戴技术(WT)交叉领域的718篇文献进行了系统性的文献计量分析。研究揭示了该领域年均24.89%的高速增长，核心主题从早期聚焦3D打印、制造工艺，逐步转向生物传感器、微流控、器官芯片(organ-on-a-chip)等生物医学应用集成。尽管美国、中国、韩国主导了研究产出，但国际合作仍有待加强。文章为这一快速发展且日益跨学科融合的研究领域绘制了全面的知识图谱，并指出了未来的发展方向与机遇。
增材制造与可穿戴技术交叉领域十年研究（2015–2025）：一项文献计量分析
摘要
增材制造(AM)，即3D打印，与可穿戴技术(WT)在过去十年中各自飞速发展。AM提供了高度可定制的制造能力，而WT则实现了微创健康监测。这两个领域的交叉为生物医学和工程领域带来了新兴机遇。本研究旨在通过全面的文献计量分析，描绘2015年至2025年间AM-WT交叉领域的科学研究版图。遵循PRISMA-ScR指南，从Web of Science (WoS)、Scopus和PubMed三大数据库中提取了总计718篇经过同行评审的出版物。利用RStudio和Bibliometrix软件包，分析内容包括合著网络、引用趋势、关键词共现和主题映射。定制的作者消歧脚本提升了数据质量和可靠性。研究发现，该领域年出版物增长率为24.89%，2020年后增长尤为显著。核心主题包括3D打印、生物传感器、微流控和器官芯片设备。研究趋势明显从以制造为导向转向与生物医学应用的深度融合。美国、中国和韩国是研究产出的主导国家，国际合作虽存在但尚未高度国际化。AM-WT研究领域正处于从聚焦制造的研究向跨学科、应用驱动的创新的决定性转型阶段。这一转变的标志是其在医疗保健和生物电子学领域日益增强的融合，但同时也受到地区不平衡和主题空白的阻碍。解决这些问题对于提升其全球影响力至关重要。
1. 引言
1.1. 增材制造背景
增材制造是一项新兴技术（也称为3D打印），自发明以来取得了实质性的技术进步。它始于快速原型创新，现已发展成为成熟的制造技术。AM能够制造传统减材制造无法或难以实现的复杂形状和定制化产品。这项技术制造各种结构定制化、轻量化、复杂组件的能力是其在各行业应用日益广泛的主要原因。此外，它显著高效、可迭代且减少浪费，这与对可持续制造定制产品的日益增长需求相契合。
1.2. 可穿戴技术/生物集成设备的兴起
随着制造的进步，可穿戴（或生物集成）技术行业也经历了显著的成熟。可穿戴设备始于概念验证设备，随后发展为用于实时生理观测、生物传感和部分可植入用途的复杂系统。可穿戴技术的发展路径反映了对个体化定制健康监测、形态以及与身体无缝集成的日益增长需求。对于生物医学领域，可穿戴及相应的植入式设备，开启了个体化定制患者治疗、全天候观察和微创监测的新范式。必须认识到，生物传感器可穿戴设备日益广泛的应用依赖于能够满足舒适性、顺应性和集成性要求的材料科学和加工技术，而这些是常规加工技术不易满足的。近期研究进一步证明了多功能可穿戴系统的快速发展，这些系统结合了生物相容性聚合物、混合纳米复合材料和先进的生物大分子基质，用于柔性传感和治疗应用，突显了可穿戴制造策略的加速多样化。
1.3. 增材制造与可穿戴系统之间的技术融合
AM与WT的交集源于两个领域互补的优势。AM能够制造定制化、几何结构复杂且柔性的结构；而WT在与动态人体交互时恰恰需要这些特性。近期研究表明，聚合物复合材料的3D打印如何促进可穿戴传感器和柔性电子产品的生产，这些产品难以通过传统制造实现。此外，微流控设备是许多下一代可穿戴生物传感器（例如，汗液分析、持续生化监测）的关键组成部分，它们显著受益于AM。与基于传统光刻或蚀刻的方法相比，3D打印提供了更短的制造周期、更大的设计自由度和更低的成本。这使得能够开发皮肤上或柔性多用途生物传感器，将结构、流体和电子功能结合在单一设备中。这种融合已在近期文献中得到实现：2025年的一项综述强调了增材制造在推进可穿戴和可植入生物传感器方面的关键作用，从而实现患者特异性护理和实时健康管理。
1.4. 当前研究格局与碎片化
尽管对AM-WT融合的兴趣日益增长，但研究格局仍然碎片化且高度跨学科。一方面，应用AM于生物医学设备、微流控系统、智能纺织品和可穿戴生物传感器的研究激增。另一方面，在WT和智能纺织品领域，时尚导向的3D打印服装与功能导向的生物传感或电子设备之间仍然存在明显分野。虽然一些研究强调材料创新、打印方法和纺织品集成，但其他研究则侧重于生物医学传感、微流控或电子功能。这种多样性虽然前景广阔，但导致文献体系分散，缺乏对总体主题、合作网络或时间演变的系统综合。
1.5. 现有综述的局限性与知识空白
若干关键综述已涉及此融合的某些方面。然而，大多数综述在技术上或功能上具有特定性；没有一篇提供2015-2025年间跨多个数据库的整个AM-WT研究格局的定量、科学图谱综合，而这正是本文献计量研究所要填补的空白。因此，仍然缺乏一项跨越重要时间跨度、涵盖多个数据库的系统性文献计量综述。这样的综述将有助于识别出版趋势、关键作者和机构、国际合作网络、主题演变和技术空白。
1.6. 多数据库文献计量评估的理由
鉴于AM-WT研究的跨学科性和快速演变性，整合多个数据库的文献计量方法具有明显优势。依靠单一来源可能会使样本偏向特定学科，并低估跨学科研究。通过结合数据库，可以捕获更广泛、更具代表性的数据集。文献计量分析允许进行系统性去重、作者姓名消歧和网络分析，从而揭示该领域的结构和知识主干。
1.7. 本研究的目的与贡献
本研究旨在对2015-2025年间AM-WT交叉领域的研究进行系统性文献计量综述，利用多个主要数据库以确保广泛的覆盖范围。通过明确聚焦AM-WT界面而非平行的学科轨迹，本研究识别了共同演化的主题集群、结构合作依赖性和跨领域知识流，这些在单一领域分析中是不可见的。由此产生的“研究地图”将为工程师、生物医学研究者、材料科学家、纺织技术专家和政策制定者提供资源，帮助他们了解和推动由AM实现的定制化、可穿戴和功能化设备的发展与应用。
2. 方法论
2.1. 方法论框架与综述方案
本文献计量分析的方法论框架旨在最大限度地提高全面性，减少数据库特定偏差，并确保结果的可重复性。综述遵循PRISMA-ScR指南进行，以确保证据识别、筛选和纳入的透明记录。分析工作流程遵循既定的科学图谱模型。
2.2. 研究目标与多数据库策略
本研究的主要目标是进行全面的文献计量分析，以绘制2015年至2025年十年间AM应用于WT这一跨学科领域的知识结构、主题演变和合作网络。方法论的一个关键优势是整合并合并了三个互补文献数据库的记录。
2.3. 检索策略与入选标准
采用布尔查询在文档标题和作者关键词中部署了全面的电子检索策略。检索逻辑将AM特定术语与WT和生物集成设备概念相连接。在本研究中，WT的操作性定义包括与人体直接生理界面发挥功能的生物集成和身体近端系统。因此，当植入式设备和器官芯片或芯片实验室平台被置于由AM实现的可穿戴或患者特异性监测架构中时，也被纳入。检索被刻意限制在标题和关键词，排除摘要，以保持对核心已发表贡献的精确聚焦，并降低基于仅在摘要中提到的外围主题检索文献的风险。检索限于2015年10月10日至2025年10月10日期间发表的英文研究文章、综述文章和全文会议论文。
2.4. 数据整合与处理流程
数据收集阶段包括在三大文献数据库执行精炼后的检索查询。初步结果以各平台提供的标准格式导出。随后实施了一个定制的、多阶段的数据处理流程。采用了分层去重策略，使用清理后的数字对象标识符(DOI)作为主键。至关重要的是，为解决作者消歧问题，开发了一个自定义R脚本。该脚本利用源元数据中完整的作者姓名生成基于全名的唯一作者令牌。这个标记化过程有效地区分了同名作者。此严谨过程产生了一个包含718篇独特出版物的最终整合语料库。保留记录的组成为：WoS 436篇，Scopus 279篇，PubMed 3篇。诊断评估证实了高质量和适合文献计量分析。
2.5. 数据分析与可视化
数据处理和分析使用R编程语言在RStudio环境中进行，利用了“Bibliometrix”软件包。这个专门的工具有助于对出版趋势进行定量分析，构建合著和共被引网络，并绘制关键词共现和主题演变图。
3. 结果与讨论
3.1. 分析输出与解读
3.1.1. 所分析出版语料库的核心特征
出版语料库包含2015年10月10日至2025年10月10日期间产生的718篇文档，发表在315种期刊和会议论文集上。观察到持续的年均增长率24.89%，2020年后增长显著。每篇文档平均被引29.33次。文档类型分布包括420篇研究文章、167篇综述论文和131篇会议论文。作者结构显示出强烈的合作导向。共有3496位作者为数据集做出了贡献，单作者论文数量很少，每篇出版物平均合著者5.66人。15.46%的产出存在国际合作，表明跨境研究网络正在发展但尚未占主导地位。语料库包含1971个作者关键词和3854个扩展关键词。
3.1.2. 年度科学产出与引用影响力
年度出版物产出呈现出清晰且持续的增长趋势，从2015年的13篇增加到2025年的120篇。基础线性模型表明高度可预测的轨迹，平均每年增加约10篇出版物。引用表现则显示出更多变的时间动态。2015年至2017年间平均每篇出版物总被引次数相对稳定，随后在2018年和2019年适度下降。2020年和2021年队列的显著上升与典型的被引生命周期行为一致。2022年至2025年的后续下降反映了引用延迟效应。出版物数量和短期平均被引次数的不同轨迹表明，该领域正在经历强劲的量化扩张，而最新贡献仍处于其被引生命周期的早期阶段。
3.1.3. 主题与合作结构：三字段分析
三字段图突显了一个紧密集成的概念格局，以制造技术及其在可穿戴和微流控系统中的直接应用为中心。主导集群将“3D打印”、“增材制造”和“立体光刻”与“可穿戴传感器”、“可穿戴设备”和“生物传感器”联系起来，表明该领域在结构上围绕着能够实现功能性设备开发的制造技术组织。“微流控设备”、“芯片实验室”、“器官芯片”和“3D生物打印”作为相邻术语的存在表明，生物医学微工程已成为一个嵌入且互补的研究流，而非外围利基。与这些主题最密切相关的作者主要隶属于中国的机构，而关键的意大利贡献者也显示出类似的主题一致性。美国和韩国的次要但显著的贡献证实了更广泛的国际参与，但主题影响力较弱。综合模式表明，该领域的知识发展是由三个强化因素的相互作用形成的：一个连贯的技术核心、一小群高度活跃的作者和有限数量的国家研究枢纽。
3.1.4. 领域成熟度与未来轨迹：生命周期分析
逻辑模型通过考察年度出版物行为和长期累积增长来评估整合AM与WT研究的发展阶段。年度出版物模型表现出对逻辑函数的强拟合，表明年度产出的轨迹遵循可预测的增长模式。该模型估计2024年左右达到约191篇出版物的峰值产量。这一预计峰值，结合观察到的24.89%的年增长率，表明该领域运行在其指数增长阶段的上限附近。这种逻辑行为表明AM-WT界面正在从快速扩张向结构化整合过渡。累积出版物模型估计的饱和点约为4022篇文档。目前语料库中有718篇出版物，仅达到预计总产出的约18%。当前与预期累积量之间的巨大差距表明该领域具有相当大的未来扩展潜力。年轻的平均文档年龄和相对较高的平均被引次数进一步支持了该推论，即该领域仍处于动态和形成阶段。
3.1.5. 来源结构、生产力与影响力
来源层面的指标描述了AM和WT研究在期刊和会议出版物中的分布、集中和被引情况。布拉德福分布显示，一小部分核心期刊占了出版物的大部分，而许多外围出版物只是偶尔有贡献。《Micromachines》、《Sensors》、《Advanced Materials Technologies》、《Advanced Functional Materials》和《ACS Applied Materials & Interfaces》等期刊属于这一核心，证明了它们作为该领域内方法论和设备导向研究的主要传播平台的核心作用。时间模式显示，大多数出版物在2015年至2019年间保持适度活跃，随后从2020年开始显著增加。这种加速在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Advanced Materials》和《Advanced Materials Technologies》中最为突出。按出版物数量排名，《Micromachines》和《Sensors》贡献了最高数量的出版物。通过数据集的H指数评估本地影响力，《Micromachines》再次成为领先来源。本地被引来源揭示了一种与生产力和H指数模式不同的结构。《Lab on a Chip》获得最高的本地被引次数。这表明，最有影响力的概念和方法论基础来源于专门从事微流控、分析技术和先进材料的期刊。总体而言，来源格局的特点是，一小部分期刊主导出版活动，辅以一个稍广泛的基础期刊群，锚定该领域的知识基础。
3.1.6. 作者结构、影响力与生产力
作者结构说明了个人研究者如何贡献并塑造该领域的发展。Bahnemann Janina和Huang Xiaobo各贡献了8篇出版物，是最高产的作者。作者影响力，通过本地被引次数衡量，显示出与生产力模式不同的模式。Nguyen Tammy、Pan Yayue、Popma Adam、Wong William和Xu Jie等研究者获得了最高的本地被引次数，尽管他们的出版量更为适中。这种差异表明，概念影响力和方法论影响力并非仅由出版数量决定。时间模式显示，不同作者在出版时间和引用强度上存在差异。洛特卡定律评估生产力。经验曲线显示，近89%的作者只有一篇出版物，而只有三位作者发表了多达8篇出版物。从一次性贡献者到高度活跃贡献者的这种急剧下降，是跨学科研究领域的特征，这些领域吸引了广泛但偶发性的参与，同时依赖一小部分持续高产学者的核心。
3.1.7. 机构贡献
机构贡献分布表明了一种清晰的分层模式，其中少数机构占据了最高产出。领先的贡献者是密歇根大学，有31篇出版物。首尔国立大学和多伦多大学组成了第二梯队。随后的排名显示出紧密聚集的产出。排名靠前的其余机构贡献了7到12篇不等的出版物，突显了一个竞争性且国际分布的格局，涵盖东亚、北美、欧洲和大洋洲。
3.1.8. 地理分布、合作模式与研究影响力
研究活动的地理结构显示出清晰的集中模式。美国记录了最高的产出，其次是中国和韩国。意大利、德国、英国和印度形成了一个中等范围组。美国和中国的单国和多国出版物相对比例表明，美国和中国在很大程度上依赖国内研究生态系统，而德国和英国等国则表现出更强的融入国际合作网络的趋势。时间轨迹显示，美国和中国遵循最陡峭和持续的增长曲线，特别是在2019年之后。韩国和意大利也从2020年左右开始大幅增长。总体而言，全球分布反映出一个显著不均衡的格局，研究集中在北美、东亚和欧洲部分地区，而非洲、中东、拉丁美洲（除巴西外）和大洋洲（除澳大利亚外）的贡献微乎其微。
3.1.9. 高影响力出版物与基础性参考文献
引用结构确定了在该领域内外产生最大影响的出版物。按全球被引次数排名的出版物显示，最广泛认可的研究涉及触觉传感器、基于微铣削的快速原型制造和仿生AM，每篇引用超过400次。本地被引最多的出版物列表，捕获了在分析语料库内的影响力。关于3D打印微流控、芯片实验室系统和基于生物打印的设备制造的早期贡献主导了此列表。全球和本地被引排名的差异表明，几篇具有适度广泛知名度的研究在AM-WT研究空间内具有核心的方法论重要性。本地被引最多的基础性参考文献列表代表了早于数据集的文献，但继续指导当代工作。被引次数最高的参考文献获得了53次本地被引。这些出版物包括立体光刻制造、透明柔性微流控系统、器官级生物打印和早期3D打印微流控演示的开创性进展。它们持续的引用表明，对定义明确的基础知识体系存在稳定的依赖。
3.1.10. 主题结构、概念聚焦与主题演变
该领域的主题和概念格局反映了一个围绕制造技术、微流控系统和设备导向应用构建的研究领域。最高频的作者关键词以“3D打印”为主，其次是与“器官芯片”、“芯片实验室”、“生物传感器”和“可穿戴传感器”等应用相关的术语。WoS学科类别分布证实了该领域的跨学科定位。纳米科学与纳米技术、材料科学和分析化学出现频率最高。最频繁的标题术语分析展示了单字词、双字词和三字词的主题连贯性。“打印”、“微流控”、“设备”、“可穿戴”和“应用”等术语反映了主要概念领域。关键术语的时间演变显示，“3D打印”随时间增幅最大，2020年后加速明显。总体而言，综合证据表明了一个连贯且扩展的主题结构，其中制造工艺、微流控平台以及可穿戴或生物医学应用形成了一个由强大跨学科基础支持的集成概念框架。
3.1.11. 概念网络与结构连通性
概念网络说明了关键术语在该领域内的组织方式以及它们通过共现关系的互联强度。作者关键词的共现网络显示出一个以“3D打印”为主导的结构，它具有最高的中介中心性、接近中心性和PageRank值。AM和“微流控”作为次要枢纽，将制造技术与设备导向应用联系起来。“器官芯片”、“生物传感器”、“3D生物打印”和“可穿戴设备”等术语处于中间位置，表明生物医学和可穿戴领域的应用在结构上依赖于由主导制造和微流控技术建立的概念路径。WoS学科类别的共现网络揭示了六个学科集群。纳米科学与纳米技术成为最高中心性类别，其次是材料科学、生物材料以及细胞与组织工程。度分布表明，少数类别承载了大部分概念联系，表明了一个围绕纳米尺度科学、先进材料和生物医学工程组织的结构连贯的跨学科架构。
3.1.12. 合作网络与作者和国家间的结构连通性
合作网络描述了研究互动在作者和国家系统间的结构化方式。作者层面的合著网络由28个集群组成。该网络由几个紧密连接的群体和少数高度中心的个体塑造。Huang Xiaobo是具有最高累积度的最具影响力的连接者，连接多个集群并促进跨其他松散连接子组的知识交流。Rong Youjie和Zhang Xiaomin也表现出高连接性。像Du Dan、Liu Yuehe和Lin Liwei这样的作者具有最高的中介中心性值，表明他们是研究社群之间的结构桥梁。国际合著网络显示，美国占据中心位置，具有最高的中介中心性值，其次是英国和中国。这些国家是跨国知识流动的主要渠道。韩国、意大利、印度和日本表现出中等中心性。国与国合作频率详情显示，德国和日本、意大利和日本、英国和日本之间的联系最为紧密，表明日本是欧洲合作伙伴中首选的合作对象。中国和澳大利亚、德国和澳大利亚、印度和澳大利亚之间的其他紧密联系表明，澳大利亚也作为一个主要的双边合作枢纽。中国和韩国之间的联系反映了东亚内部的强区域一体化。总体而言，网络展示了一个不均衡但高度互连的合作结构，其中少数有影响力的作者和国家系统锚定了大部分研究互动。
3.1.13. 主题演变与研究焦点的结构性转变
主题结构说明了该领域的概念焦点在早期和后期之间如何演变。2015-2020年期间的主题图显示，一个由“3D打印”、AM和“芯片实验室”组成的强大集群处于主导地位，作为具有高中心性和密度的核心主题。而“可穿戴传感器”、“机器学习”和“气溶胶喷射打印”等主题则处于密度较高但中心性较低的位置，表明是专业化但连接较松散的研究利基。2021-2025年期间的主题图揭示了实质性的结构重组。一个由“3D打印”、“可穿戴传感器”和“生物传感器”组成的大型基础主题集群出现，具有高中心性但密度降低，表明这些主题现在支撑了广泛的研究。第二个结合了AM、
