随着三维打印技术(Three-dimensional printing technology,3D printing technology)在医疗领域的蓬勃发展,超多孔界面在人工关节假体的应用成为骨科治疗领域的一大进步且临床效果良好。3D打印的金属骨小梁多孔结构在骨科植入的应用上具有独特优势,其性能直接影响植入假体的骨长入以及强度安全。设计具有合适孔隙率和承载能力强的骨小梁结构应用在骨科植入物表面,能够提高人工关节置换术的质量。本文对钛合金骨小梁结构的力学特性及其在胫骨平台假体的应用开展研究工作,为提高植入假体的骨长入和强度安全进行探索。首先,采用有限元分析软件ANSYS对开放式和晶体两大类胞元结构的几何特性及力学性能进行了分析比较,用3D打印高分子材料胞元模型进行了实验验证。选择合适孔隙率的胞元构建了截面为矩形和圆形的多胞元骨小梁模型,数值模拟比较了不同胞元构建的两种截面骨小梁模型的承载能力和应力分布规律。结果表明,胞元结构的几何形状及孔隙率对承载能力有较大影响;适当地加粗胞元丝径可以提高结构的承载能力;不同结构的压缩破坏位置均在结构丝的拐角处;断丝会导致晶体胞元骨小梁结构的承载能力降低而应力大幅度增加(最大约3倍)。然后,根据上述对不同结构的分析比较结果,选择了一种晶体胞元结构构建了六种不同孔径和孔隙率的矩形截面骨小梁模型,并通过数值模拟分析比较了其力学性能。采用3D打印技术制备了五种长方体钛合金骨小梁支架,实验测量了丝径、孔径和孔隙率并对通孔率进行了检测,还通过实验研究了其压缩性能。设计制造了3D打印钛合金骨小梁拉伸试件,通过实验和仿真研究了其拉伸性能。数值模拟结果表明,相同丝径骨小梁承载能力随单元边长的增大而降低,丝径加粗一倍可使骨小梁承载能力提高约十倍。实验结果表明,钛合金骨小梁的丝径较理论值变大而孔径和孔隙率较理论值变小,但其内部通孔率检测结果良好;骨小梁压缩试件的压缩特性曲线具有明显的四阶段特征,压缩性能参数随单元尺寸不同有着明显的变化规律;骨小梁拉伸试件的拉伸破坏形式为骨小梁丝径断裂。由于3D打印得到的骨小梁结构表面具有较小的几何不规则性和不均匀的表面光滑度,导致了丝径、孔径与孔隙率的实测值与理论值存在差异,进而导致了压缩与拉伸实验获得的力学特性参数高于理论值。最后,对钛合金骨小梁界面胫骨平台假体模型进行了设计计算。根据上述对钛合金骨小梁的实验研究结果,选择了四种不同尺寸骨小梁胞元为基础,按照弹性模量的大小组配了三种分区骨小梁结构,建模时进一步考虑了与胫骨整合面骨小梁截面特点对骨生长的影响,构建了包括胫骨平台假体实心部分、胫骨平台假体骨小梁和胫骨的计算模型共六种。通过有限元仿真分析比较了不同模型在胫骨整合面的应变分布规律。数值模拟结果显示,Box8细径2.25-2.0-2.5组配骨小梁,采用切割面与胫骨整合,在负载单倍体重时具有较好的骨生长特性,可以适应术后尽快下地的需要。