背景:全膝关节置换术可以有效地减轻膝关节骨关节炎晚期患者疼痛并恢复功能。患有严重膝关节骨关节炎的患者,常并发膝关节内翻畸形和胫骨平台骨缺损,当骨缺损较严重且为非包容性时,常规膝关节假体很难保持稳定,此时应用缺损垫块可以有效地填补缺损,维持假体稳定。然而当前缺损垫块多为实心金属材质,难免会增加应力屏蔽现象,且无法完成骨整合。拓扑优化技术是一种在给定的区域内优化材料分布去除冗余材料的设计方法,可以优化植入物材料分布,降低植入物弹性模量,减少应力屏蔽。有限元分析技术可以模拟真实受力情况,即根据植入物的生物力学特征,施加真实载荷和约束,与拓扑优化技术相辅相成。本课题旨在通过有限元分析对全膝关节置换术中缺损垫块行拓扑优化设计,提高其生物力学性能,减少应力屏蔽,同时通过优化材料分布,实现对于垫块不同材料属性区域的功能梯度化网格设计,进一步降低垫块的弹性模量,减轻重量,改善患者预后。方法:1.根据关节炎晚期患者CT扫描完成胫骨非均质模型重建,通过实体假体扫描逆向重建完成假体模型重建。2.利用步态分析获取完整步态周期中胫骨平台的最大受力和角度。3.模拟手术过程,将所有模型调整到正确位置,建立组配完毕的有限元模型,施加正确的载荷及约束,对缺损垫块实施以最小化应变能为目标,体积分数为约束的拓扑优化。4.根据优化结果对保留区域和优化掉区域行梯度化网格处理。5.建立优化后垫块的有限元模型,并对其进行有限元分析,比较垫块和垫块周围胫骨的应力分布变化情况。6.对梯度网格化垫块行3D打印。结果:与原始垫块相比,本课题设计的优化后梯度网格化垫块减少了40%重量。原始垫块上最大应力为8.90MPa,优化后垫块上最大应力为7.87MPa。原始垫块上最大应变能密度为1.43k Pa,优化后垫块上最大应变能密度为1.93k Pa。原始垫块上平均应力为2.18±1.05MPa,优化后垫块上平均应力为1.90±0.88MPa且与原始垫块相比差异显著（p<0.05）。原始组中垫块下方胫骨平台上最大应力为2.37MPa,优化组中垫块下方胫骨平台上最大应力为2.81MPa。垫块下方胫骨平台被分成前、中、后三部分,原始组中前、中、后三部分的平均应力分别为0.42±0.25、0.43±0.23和0.15±0.13MPa,优化组中前、中、后三部分的平均应力分别为0.44±0.27、0.56±0.30和0.23±0.19MPa且与原始组相比差异显著（p<0.05）。原始组中延长杆上最大应力为28.0MPa,优化组中延长杆上最大应力为28.7MPa且与原始组相比差异不大。结论:优化后梯度网格化垫块可以显著的提高缺损垫块的生物力学性能,降低应力屏蔽,改善患者预后。且本课题可以为3D打印个体化定制假体的设计提供参考。