背景:有报道通过建立软骨两相模型,数值模拟循环压缩载荷下固体基质的应变,在细胞水平上研究了机械刺激对关节炎的影响。但考虑软骨实际运动所受到变化的载荷和运动角度方面的研究较少。目的:揭示膝关节软骨的压缩、滚动、滑动或旋转以及复合载荷下的力学状态。方法:建立考虑钙化层、软骨下骨作用的关节软骨模型,使模型更接近完整的软骨天然生理结构。膝关节运动为胫骨平台与股骨远端的相对运动,简化为一刚化球体作用在平面软骨的几何模型。考虑屈伸、内/外翻及内/外旋转等运动特性,建立人行走时膝关节可实现复合载荷的三维有限元模型。研究膝关节软骨的压缩、滚动、滑动或旋转及复合载荷下的数值分析。结果与结论:(1)模拟步态过程中,关节软骨所受的最大应力区域分布在软骨下骨;(2)随着压缩过程的进行,Mises应力、应变与孔隙压力随压缩量的增大而增大,且增幅呈非线性减小的趋势;(3)结果发现,滚压载荷与总的复合载荷最为接近,可为组织工程体外功能化培养实验和方案的设计提供数据参考。