全髋关节置换术是治疗终末期髋关节相关疾病的重要手段,成功的全髋关节置换术极大的提高了患者的生活质量。髋关节置换术中的股骨柄假体多为钛、钴及其合金等金属材料,由于其与天然股骨之间弹性模量的差距,常造成不同程度的应力遮挡效应,这是导致髋关节置换术后假体周围骨密度降低、假体松动、假体周围骨折等并发症的主要原因之一。近年来,为了使髋关节置换术后股骨的生物力学更加合理,研究者开始探索通过不同的材料以及结构优化设计方法对假体进行优化设计,拓扑优化便是重要的结构优化方法之一。拓扑优化技术是根据给定的负载情况、约束条件和性能指标,在给定的区域内对材料分布情况进行优化的数学方法。拓扑优化技术的应用主要依托有限元分析技术的发展,多应用于航空航天领域以及汽车领域机身及零部件的优化设计,以满足相应工况下应用最少的材料,达到减重的目的。近年来,在医疗领域,拓扑优化技术逐渐应用于植入物的设计,在骨科应用最为广泛。研究者旨在应用拓扑优化技术对植入物的材料分布进行优化,以达到在满足相应生物力学的情况下除了植入物质量减轻以外,通过降低植入物的应变能来降低应力遮挡效应,以期达到最终降低植入物术后并发症的目的。植入物经拓扑优化设计后一般具有复杂的内部结构,传统制造工艺难以实现,近年来迅猛发展的增材制造技术得以使优化后结构进行制造,从而促进了拓扑优化技术从概念优化到实际应用的发展。本研究利用拓扑优化技术对现有的髋关节Synergy股骨柄假体进行拓扑优化设计,并运用有限元分析的方法进行生物力学验证。在仿真建模阶段,通过非均质赋值的方法对股骨进行材料赋值,然后模拟实际手术过程组装假体与股骨;在工况模拟阶段,结合步行与爬楼梯两种日常工况下对股骨关节力及肌肉力进行模拟加载;在拓扑优化设计阶段,采用约束Synergy假体的体积分数,将柔度最小化即应变能最小作为优化目标;在优化后处理阶段,除了对优化后模型的平滑处理,另根据材料密度分布实现了低密度部分应用无材料(桁架假体)及多孔材料(梯度假体)两种方式进行填充;在生物力学验证阶段,利用有限元分析技术比较优化前后三种假体的生物力学性能,对各组股骨的各Gruen分区应力变化进行观察、测量及统计学分析,同时对各组股骨柄假体的应力峰值进行比较分析。研究结果显示,股骨应力方面:在步行与爬楼梯两种日常工况下,优化后的假体使更多的应力传递至股骨,尤其是股骨Gruen 7区,应力遮挡率为桁架假体(步行:36%,爬楼梯42%)<梯度假体(步行:45%,爬楼梯46%)<原始假体(步行:72%,爬楼梯74%),可见桁架假体组与梯度假体组均能减小假体在股骨Gruen 7区的应力遮挡效应;股骨柄假体的应力方面:其应力峰值为梯度假体(步行:120.7MPa,爬楼梯:196.3MPa)<桁架假体(步行:131.1MPa,爬楼梯:201.4MPa)<原始假体(步行:141.6MPa,爬楼梯:242.6MPa),实现了减小股骨与假体的应力差异,有望降低术后假体松动以及术后肢体疼痛的风险。基于本研究的结果,得出结论:拓扑优化技术可应用于股骨柄假体的设计,优化后的假体除了具有更轻的质量外,还具有更好的生物力学性能,既降低了假体本身的应力峰值,又降低了在股骨Gruen 7区的应力遮挡效应。