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当前植入人工骨假体是治疗不可修复骨损伤的最快最有效的方法,以往工业技术与临床水平有限,人工骨多为钛合金实体材料,应力遮挡是人工关节无菌松动失效的主要原因之一,且实体钛合金假体质量较重植入人体后患者体验不佳,需不断翻修,寿命短。建立一种钛合金材料拓扑优化收敛准则用于钛合金植入体的拓扑优化,使假体宏观弹性模量与假体近端骨骼相匹配,降低假体对近端骨骼应力遮挡,提高假体使用寿命与舒适度。采用钛合金材料股骨上段假体模型在该收敛准则的约束下拓扑优化验证该收敛准则。取用志愿者正常行走过程简化的三个典型时刻,早期(脚尖开始离地),中期(单腿支撑)和后期(脚后跟着地)股骨所受到的最大载荷力学环境为力学模型,运用Abaqus软件中的拓扑优化方法对假体材料重新分配,优化后股骨假体中形成类骨髓腔结构,在轴向与径向分别剖开观察优化后骨髓腔结构,并与志愿者股骨的骨髓腔比较,结果表明假体优化后的空心结构与人体骨髓腔结构相似。自股骨假体底部每隔5mm获取相同位置优化前后横截面积计算得到优化后假体宏观截面弹性模量,假体整体宏观弹性模量降低至实体的1/5~1/2,画出股骨体距离与截面弹性模量曲线图,与人体股骨上段弹性模量进行对比。结果表明,钛合金材料模型优化后,宏观弹性模量与人体股骨体弹性模量匹配性较好,该收敛准则可以用于假体优化的约束,拓扑优化以减小对骨骼的应力遮挡。踝关节作为参与人体活动最多的关节之一,也是最容易使骨骼严重受伤的关节之一,其中距骨不可自我修复的骨折,病变尤为突出,全距骨假体置换可很大程度恢复患者因距骨损伤引起的运动功能障碍。运用逆向工程重建志愿者踝关节模型,运用钛合金假体收敛准则在优化软件中对踝关节距骨模假体型进行拓扑优化,得到假体空心结构,在Magics中软件剖开对优化后距骨假体观察其内部结构,并从与胫骨接触面开始获取每2mm优化前后假体横截面积计算获得优化后假体各截面的宏观弹性模量。得到弹性模量降低至实体模量1/5~1/2与人体实际骨骼弹性模量相匹配,该优化结果能够使假体减小对近端的骨骼应力遮挡效应,并优化出一个能工用于实际假体置换的钛合金距骨假体。