广东
1. 引言
随着全球人口老龄化进程的加速，老年人跌倒导致的髋部骨折已成为严重的公共卫生问题。传统髋关节保护器因材料性能及设计限制，防护效果参差不齐。聚氨酯泡沫材料，特别是人工软骨仿生超材料（ACF），因其优异的缓冲和吸能特性，逐渐成为该领域的研究热点。
本文综述了当前聚氨酯泡沫材料在老年人跌倒髋部冲击防护领域的研究现状、研究热点与争议，并探讨了未来的发展方向。
2. 研究现状
2.1 老年人跌倒与髋部骨折的严重性
老年人跌倒后易发生髋部骨折，尤其是侧向跌倒时股骨颈承受的峰值冲击力远超骨质疏松患者的骨强度阈值。
据美国行为风险因素监测系统（BRFSS）和国家生命统计系统（NVSS）统计，意外跌倒是65岁以上老年人受伤和受伤死亡的主要原因。
在中国，江苏省、广州市和上海市等地的流行病学调查也显示，跌倒/坠落是老年人伤害发生的首要原因，髋部骨折是最常见且严重的后果之一。
2.2 髋关节保护器的研究进展
为了降低老年人跌倒时的髋部骨折风险，研究人员设计了多种髋关节保护垫。根据防护原理，髋关节保护器可分为硬垫和软垫。硬垫通过分流跌倒时产生的能量，而软垫则通过降低接触部位的刚度并吸收冲击能量。目前市场上硬壳髋关节保护器较为稀少，主要材料包括高密度聚乙烯、PVC塑料和聚丙烯塑料等；软壳髋关节保护器则主要采用聚氨酯泡沫和闭孔聚乙烯泡沫等材料。
2.3 聚氨酯泡沫材料在髋部防护中的应用
聚氨酯泡沫材料，特别是ACF材料，因其多孔结构和可调的力学性能，在髋部防护中表现出色。ACF材料通过调节密度与胞元构型，能够实现能量吸收性能的优化。
研究表明，ACF材料在动态冲击下具有优异的吸能特性，能够显著降低跌倒时髋部受到的冲击力。
3. 研究热点与争议
3.1 研究热点
3.1.1 材料动态力学性能的研究
当前研究热点之一是聚氨酯泡沫材料在不同应变率下的动态力学性能。
通过分离式霍普金森压杆（SHPB）实验，研究人员获得了ACF材料在不同应变率下的应力-应变曲线，揭示了其显著的应变率效应。
这些数据为护髋材料的仿真分析提供了重要的材料属性依据。
3.1.2 全身仿真模型的建立与简化
建立老年人跌倒的全身仿真模型是当前研究的另一热点。
通过生物力学软件提取骨骼模型，结合三维扫描获取软组织形态，构建包含关节约束的全身有限元模型。
进一步提取腰椎与膝关节约束力，建立简化的局部髋部模型，以提升计算效率。
3.1.3 护髋材料的优化设计
基于仿真分析结果，研究人员对护髋材料的密度和厚度进行了优化设计。通过对比不同密度和厚度的ACF材料护髋防护效果，发现15mm厚的ACF18材料在防护性能上表现最佳，能够有效降低跌倒时股骨颈和大转子的峰值力。
3.2 争议与挑战
3.2.1 应变率效应的考虑
尽管已有研究表明护髋材料的应变率效应对防护效果有显著影响，但部分研究在仿真分析中仍忽略这一因素。
忽略应变率效应可能导致对护髋实际防护效果的评估不准确，特别是在较高速冲击下。
3.2.2 全身模型与局部模型的对比验证
全身模型能够更准确地模拟跌倒时的生物力学响应，但计算成本较高。局部模型虽然计算效率高，但可能忽略全身动力学对髋部冲击的影响。如何平衡计算精度与计算效率，是当前研究面临的一大挑战。
3.2.3 个体化差异的考虑
老年人的骨密度、软组织厚度、体型等个性化参数对护髋防护效果有显著影响。然而，目前大多数研究仍基于标准模型进行仿真分析，缺乏对个体化差异的充分考虑。
如何构建多维度风险评估模型，推动护髋的定制化设计，是未来研究的重要方向。
4. 未来发展方向
4.1 考虑更多跌倒方向与速度
当前研究主要聚焦于侧向跌倒，未来需纳入不同跌倒方向（如后外侧）及速度分布，探究多因素交互作用对护髋防护效果的影响。这将有助于更全面地评估护髋在实际跌倒场景中的防护性能。
4.2 推动护髋的定制化设计
考虑老年人的个体化差异，如骨密度、软组织厚度、体型等参数，构建多维度风险评估模型，推动护髋的定制化设计。通过个性化设计，提高护髋的适配性和防护效果，满足不同老年人的需求。
4.3 开发新型复合材料
开发密度和刚度梯度变化的ACF复合材料，平衡防护性能与穿戴舒适性。
通过材料科学的进步，实现护髋材料的进一步优化，提高其在高速冲击下的吸能特性。
4.4 结合智能穿戴技术
结合智能穿戴技术，开发能够实时监测老年人跌倒风险并自动触发防护机制的智能护髋。
通过传感器和算法的支持，实现护髋的智能化和主动防护，提高老年人的生活质量和安全性。
5. 结论
聚氨酯泡沫材料，特别是ACF人工软骨仿生吸能超材料，在老年人跌倒髋部冲击防护领域表现出色。
当前研究热点包括材料动态力学性能的研究、全身仿真模型的建立与简化以及护髋材料的优化设计。然而，仍存在应变率效应考虑不足、全身模型与局部模型对比验证困难以及个体化差异考虑不全等争议与挑战。
未来，应考虑更多跌倒方向与速度、推动护髋的定制化设计、开发新型复合材料以及结合智能穿戴技术，以进一步优化护髋的防护性能，降低老年人跌倒导致的髋部骨折风险。
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