随着局部军事冲突、恐怖袭击以及生产生活中各类爆炸事故频发，冲击伤业已成为现今创伤疾患中最为重要的一种伤类。据不完全统计，从1998年至2006年，与军事和恐怖主义有关的爆炸事故增加了4倍，爆炸伤患者增加了8倍^[1]。非战争性爆炸(煤矿瓦斯爆炸、扫雷意外爆炸、粉尘和燃气爆炸、烟花爆炸等)在我国时有发生。对国家安监局数据分析发现，2000-2017年平均每3天发生1起爆炸事故^[2]。爆炸发生后，原发冲击伤(primary blast injury)中肺脏是冲击波最易累及的空腔脏器。在阿富汗战争后送伤员中，原发肺冲击伤发生率为6.7%~11.2%^[3]。对冲击伤的诊治关口进行前移，即有效防护，无疑是减轻伤情、提升救治效能的最优举措。因此，选择理想的防护材料衰减冲击波向体腔的传布，将冲击波以反射、绕射以及防护材料结构共振、形变等方式施以能量耗散，是冲击伤防护的潜在策略。

既往军用或警用防护材料涉及Kevlar纤维、超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE)、陶瓷和纳米智能材料-剪切增稠液体等，这些材料对子弹、弹丸、破片等损伤具有较强的防护性能，但对冲击波防护效果有限^[4]，甚至可能加重冲击波致伤。近年材料学研究发现，聚脲类材料因具有较好的抗拉强度、断裂强度、冲击强度、耐磨性等力学性能，在防护材料领域有着广泛的应用前景^[5-6]，尤其在建筑构件防爆研究中证实聚脲涂层可以加速冲击波衰减，增加底材抗爆性能^[7]，而在防护服材料的研究中鲜有报道。本研究基于聚脲潜在的防爆性能，通过优化聚脲分子结构和组分配比，观察模拟实爆条件下新材料对于冲击波衰减及其生物防护性能，旨在为冲击波防护装具的设计、制备提供理论和材料支撑。

1 材料与方法 1.1 防护材料

根据聚脲合成分子及硬段含量、制作工艺的不同、以及是否添加不同比例玻璃微珠(G+玻璃微珠体积百分比)，设计7种聚脲类防护材料，编号分别为PUR1、PUR1G20、PUR1G30、PUR2、PUR2G20、PUR2G30、PUR3(其中PUR1，PUR2，PUR3代表不同聚脲成分)。采用现役防弹衣主要成分UHMWPE(以下简称PE)纤维材料作为对照。防护材料的形状分别根据人体躯干模型(假人，图 1)和山羊(图 2)尺寸设计。躯干模型采用挡板式设计方法；山羊采用胸腹部包裹式，根据其体型制作左右两片模具包裹固定。防护材料由清华大学化工系制作提供，具体组分与制作工艺因涉及保密信息暂不提供。

1.2 实验材料与场地

爆源采用标准TNT(2, 4, 6-trinitrotoluene, 2, 4, 6-三硝基甲苯)炸药球(7 kg，内置JH14传爆药柱)，放置在距地面高度2 m处；爆炸场地为20 m×12 m，两面为刚性墙壁的半开放场；躯干模具采用曲面钢架近似替代。实验在中国工程物理研究院901基地进行。场地布置如图 3所示，山羊随机编号并分别穿戴PE、PUR、PUR+PE相应组别防护装具，随机悬吊于右侧体腔纵线中点距地面高度2 m位置、距爆心3.6、3.8 m和5.8 m处，未穿戴装具山羊作对照，具体分组见表 1；分别将PE、PUR1+PE、PUR1G20+PE、PUR1G30+PE、PUR2+PE、PUR2G20+PE、PUR2G30+PE、PUR3+PE 8种组合防护装具穿戴于人体躯干模型上，随机摆放于距地面高度2 m、距爆心3.8 m或5.8 m处。

1.3 实验动物及致伤方法

健康山羊24只，25~30 kg，雌雄不限，由当地动物养殖场提供[使用许可证编号：SCXK(PLA)20120031]。实验前12 h禁食，自由饮水。将山羊编号并随机分组，具体分组及样本数见表 1。所有山羊以3%戊巴比妥钠按30 mg/kg剂量静脉麻醉。PUR+PE组和无防护组山羊加装加速度检测传感器。动物麻醉后左侧卧位，取右侧第8肋骨正中处开口，在肋骨上用电钻钻孔置入并固定加速度传感器，缝合皮肤。手术后按分组穿戴防护衣，无防护组不穿戴防护材料，用悬吊带固定于不同距离钢架上，右侧体腔纵线中点距地面高度2 m，右侧朝向爆心。观察伤前和伤后生命体征(心率、呼吸频率、口鼻出血情况等)。动物伦理已通过陆军军医大学实验动物福利伦理审查委员会审核(2015-01-01)。

1.4 动物解剖与伤情判定

山羊麻醉后，开腹进行腹主动脉放血活杀，观察胃肠损伤情况；开胸观察心、肺脏器损伤情况，对肺脏损伤进行评分[杨志焕，等.野战外科通讯，2006，31(3):8-12]。伤情等级由各组肺脏损伤评分均值所在范围进行判定。

无伤：0，无明显损伤;

轻微：3~4，有散在瘀点或较小瘀斑但小于全肺10%;

轻度：5~21，有较重瘀斑或散在肺实变但不超过全肺10%;

中度：22~36，有散在的肺实质挫伤或肺实变，但出血面积小于全肺30%;

重度：37~64，肺实质挫伤或弥漫性肺实变，面积大于或等于全肺30%;

1.5 爆炸现场压力测定

于人体躯干模型左右侧各布放1个压力传感器，压力感受面朝向爆源。防护组在传感器上下方布放小木条支撑防护材料，使其与传感器存有一定间隙，防止冲击波致材料形变后拍打传感器；而后将7种不同防护材料分别固定于躯干模型上，均采用聚脲类材料+PE复合防护模式，单层PE材料作为对照，每种材料于3.8、5.8 m两个距离各测试1次，取左右侧冲击波超压峰值平均值。无防护组不穿戴防护材料，于3.8，5.8 m两个距离各测试1次。数据采集装置为Tek7104(美国TEK)，压力传感器采用PCB113-b21(美国PCB)，记录压力峰值。山羊于3.6 m和3.8 m处分别进行胸壁加速度检测。数据采集装置为HRU-0412-DL(上海好耐)，加速度传感器采用KD1001A和KD1000D(扬州科动)，记录内向加速度峰值。

1.6 统计学分析

采用SPSS 22.0软件对肺大体评分进行统计学分析，结果采用x±s表示，两样本差异比较采用独立样本t检验，P < 0.05表示差异有统计学意义。

2 结果 2.1 聚脲类防护材料对爆炸冲击波的衰减性能

2.1.1 动物胸壁加速度变化

动物实验测试表明，在3.6 m处PUR+PE组胸壁内向最大加速度为547.35 g，无防护组为1231.75 g，防护材料对于胸壁加速度的衰减可达55.56%；3.8 m处PUR+PE组胸壁内向最大加速度为306.20 g，无防护组为879.76 g，防护材料对于胸壁加速度的衰减可达65.20%。以上结果提示，PUR+PE防护材料对爆炸冲击波动压有较好的衰减作用。

2.1.2 冲击波超压峰值变化

人体躯干模型测试表明，布放在3.8 m处时，PUR1、PUR2和PUR3不同聚脲成分材料较PE材料对冲击波超压峰值的衰减性能分别为23.8%、27.7%和29.4%，就单独聚脲成分来看，PUR3衰减性能优于PUR2和PUR1；在PUR2和PUR1聚脲材料内进一步加入不同比例的玻璃微珠后能够提升衰减性能，加入30%比例玻璃微珠优于20%。聚脲类材料在不同距离(3.8 m、5.8 m)对冲击波超压峰值衰减规律相似，PUR1、PUR2和PUR3较PE材料衰减冲击波超压峰值能力分别为25.6%、34.8%和36.7%。以上结果提示，增加聚脲类防护材料相较于单纯PE材料，对于冲击波超压有更好的衰减作用(表 2)。

2.2 聚脲类材料对山羊冲击伤的防护作用

2.2.1 生命体征及死亡率

3.6 m处PE组伤后即刻死亡率为33.33%(1/3)，死亡动物出现口鼻出血；无防护组有1只口鼻少量出血，死亡率为0；其他防护组均无口鼻出血，死亡率均为0。3.8 m处和5.8 m处均无动物死亡。伤后即刻各组动物均出现呼吸急促，心率稍有加快。

2.2.2 肺脏伤情比较

3.6 m处，无防护组山羊肺损伤伤情主要为重度伤，占60%(3/5)，中度伤占40%(2/5)，伤情评分均值为39.4；PE组重度伤占100%(3/3)，伤情评分为44.7；PUR组重度伤占50%(1/2)，中度伤占50%(1/2)，伤情评分为35.0；PUR+PE组中度伤占14%(1/7)，轻度伤占43%(3/7)，轻微伤占14%(1/7)，无伤占29%(2/7)，伤情评分为9.1，主要为轻度伤，可以将肺损伤评分显著降低(P < 0.05)，伤情减轻2个等级；从以上结果可知PE组肺损伤伤情类似于无防护组(P>0.05)，以重度伤为主，而增加聚脲类材料后可将肺损伤伤情减轻2个等级。具体伤情见表 3，解剖情况见图 4。进一步在3.8 m处观察，PUR+PE组肺损伤伤情较无防护组由中度伤减轻为轻度伤，减轻1个等级，而在距离较远的5.8 m处冲击波对肺致伤较弱。

2.2.3 其他脏器伤情比较

3.6 m处胃肠出血率为71%(12/17)，3.8 m处胃肠出血率为20%(1/5)，5.8 m处胃肠出血率为0(0/2)。提示胃肠出血情况与距爆心距离呈相关性，且随着距离增加，出血的可能性越小。其中3.6 m处无防护组胃肠出血率为60%(3/5)，PE组为100%(3/3)，PUR组为0(0/2)，PUR+PE组为86%(6/7)。同时，3.6 m处心脏出血率为53%(9/17)，3.8 m处心脏出血率为60%(3/5)，5.8 m处心脏出血率为0(0/2)。提示心脏出血情况与距爆心距离呈相关性，且随着距离增加，出血的可能性越小。其中3.6 m处无防护组心脏出血率为40%(2/5)，PE组为66.67%(2/3)，PUR组100%(3/3)，PUR+PE组为43%(3/7)。

3 讨论

肺冲击伤是原发冲击伤最常见的死伤原因^[8]。爆炸即刻产生的冲击波压力导致胸壁向脊柱侧挤压，使得胸内压急剧上升，进而导致肺泡间隔撕裂、气道上皮剥离和肺泡腔破裂，出现肺泡出血和肺水肿；呼吸系统症状主要表现为呼吸急促、呼吸困难、发绀和咯血，有些由缺氧或继发性大脑空气栓塞引起的神经体征可能为唯一表现^[9]，诊治难度大，病程长且康复效果不佳。因此，有效防护必然优于救治。然而，现有防弹衣对于弹丸、破片伤有显著的防护效果^[10]，但其在子弹未穿透衣服情况下仍会形成“冲击凹陷”，即冲击波产生的伤害，故防弹衣的冲击波防护性能亟待提升^[11]。近年来，聚脲类材料因成本低、质量轻、吸能性能强、效果好、易燃性低、抗变形及自修复性好等特点^[12]，在防爆领域有应用价值^[13]，且通过复合玻璃纤维或麻类纤维可提升其力学性能并延长使用寿命^[14]。因此，以聚脲基为原材料，通过分子结构改造、添加增效组分等手段，对于衰减冲击波、高效防护肺冲击伤有理论上的可行性。

本研究采用清华大学研究设计的聚脲类材料，模拟旷场实爆防护实验，与现役防弹衣主要成分PE比较，证实分子结构优化后的聚脲类材料显著衰减冲击波，在一定线性范围内，增加玻璃微珠可进一步提高防护性能。因此，在兼顾材料分子结构和新组分夹杂上，选择工艺成熟、步骤简洁、成本较低的优质新型聚脲材料，对于高效防护肺冲击伤的量产材料制备和推广有重要价值。

肺冲击伤伤情与胸部形变化呈正相关，且加速度是胸壁受力的客观反映和独立危险因素，胸壁向内加速度越大，所承受的冲击波入射压也越大，且胸壁运动会导致胸内压的波动，使得肺泡快速扩张与压缩导致损伤^[15-17]，故胸壁加速度检测结果表明，PE复合PUR对于胸壁正向加速度有明显衰减；此外，随着距爆心距离的增加，肺组织伤情减轻，肺组织朝向爆心一侧肺损伤更重；在同一致伤距离下，复合PE的优选聚脲材料能将山羊中重度肺损伤减轻2个等级，由中重度减为轻中度伤或无伤，防护效能优于PUR、PE及无防护组。当今各国警用防弹衣并无单一材料便可完美防护的情况^[18]，而本研究结果也证实，单PUR虽可将伤情减轻，但并无显著效果(P>0.05)，因此能够抵御火力袭击的防弹衣必须是软硬结合的复合式结构，本研究中PE+PUR组也具有显著的防护性能。同时，单PE组肺损伤反而较无防护组加重，与压力测试结果不符，原因可能与防弹衣后钝性损伤有关^[19]，对于冲击波衰减性能较弱的PE材料，冲击波到达瞬间使其变形而产生压力与剪切力，进而对材料下组织造成损伤；此外，穿戴PE模具时可能与躯体间存在缝隙，存在反射波叠加致伤效应。由于样本量过小，对于耗散冲击波能量性能较差的防护材料是否具有加重冲击伤伤情有待进一步研究。在本实验条件下，随着距爆心距离增加，超压峰值逐渐降低，空腔脏器(如肺组织、胃肠)伤情明显减轻，且在同一致伤距离，空腔脏器损伤发生率高于实质性脏器。胃肠和心脏出血情况未见组间差异，分析原因：一方面由于心脏和胃肠出血仅有定性判断，未进行定量评分，如胃肠出血多为斑块状出血，心脏多为点状出血，一定程度上会影响伤情的比较；另一方面，与防护模具外观、腹腔部分区域材料包被不彻底有关。此外，本研究还存在以下不足：①由于旷场实爆实验成本高，样本量较小，大动物实验操作性亟待提高；②旷场实爆环境中可变因素多，对结果存在影响；③动物肺脏伤情评估缺乏三维和动态评估指标。

综上，新型聚脲材料通过衰减冲击波对肺冲击伤有良好的防护效能，在军事和民用防爆领域均具有广泛应用前景。

志谢 感谢清华大学庄茁教授和郭宝华教授团队，中国工程物理研究院流体物理研究所张远平研究员，军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所黄献聪高级工程师、康越工程师等，以及本研究部王建民教授、张良潮实验师、李晓霞助理研究员等对本实验的帮助。