膝关节是人体关节中最大、最复杂的关节之一,对人们的日常生活和运动有重要作用。由于膝关节常承受数倍于人体重量的负载,所以膝关节亦是人体中最易受损的关节之一。全膝关节置换术作为一种治疗膝关节严重损伤的有效手段,现已广泛应用于膝关节的临床治疗中。尽管患者对膝关节置换术的满意度颇高,但术后胫骨假体的无菌性松动往往会导致假体失效,患者因此必须进行翻修手术。植入假体与植入部位骨的刚度差异过大,导致在植入假体周围的骨组织上产生了应力遮挡效应,该效应引发的骨吸收会造成假体无菌性松动。本文首先通过健康志愿者的下肢CT扫描数据重建了自然膝关节的三维几何模型,并基于此建立了全膝关节置换有限元模型,其次设计了三种功能梯度材料（functionally graded materials,FGMs）,分别为两种不同孔隙率控制参数的钛合金-羟基磷灰石复合功能梯度材料（FGMⅠ和FGMⅢ）以及一种钛合金-理想骨修复材料复合功能梯度材料（FGMⅡ）。通过有限元方法比较了膝关节在屈曲0°、15°、30°、45°、60°时钛合金胫骨假体和设计的三种功能梯度材料胫骨假体对胫骨近端松质骨上应力的影响。结果显示,功能梯度材料胫骨假体相较于钛合金胫骨假体可以有效降低胫骨松质骨和胫骨假体上的最大Von Mises应力;通过分析沿胫骨假体和胫骨松质骨路径上的应力发现,功能梯度材料胫骨假体相较于钛合金假体可以显著提高胫骨近端松质骨上的应力水平,同时可以降低胫骨假体上的应力。结果表明,在设计的三种功能梯度材料中,FGMⅠ的综合效果要优于另外两种功能梯度材料,FGMⅢ的效果次之,FGMⅡ效果最弱。本文设计的功能梯度材料胫骨假体相对于常用的钛合金胫骨假体可以有效改善假体和胫骨近端松质骨上的应力水平,减轻松质骨上的应力遮挡以及假体上的应力集中现象,降低胫骨假体无菌性松动的几率,进而可以延长胫骨假体的使用寿命。