膝关节是人体主要的运动枢纽和承重组织,具有活动量大,载荷复杂和应力高等特点,使膝关节软骨损伤成为常见的临床疾病。而多项研究发现,不论是关节软骨的损伤退化还是修复,力学因素都发挥着重要的作用。本文从实验研究和仿真分析两个方面探究在压缩载荷下不同状态的膝关节软骨的力学特性。首先,利用数字图像相关技术对全层缺损和半层缺损修复样本在不同的压缩量下,探究天然软骨,人工软骨及其交界处在浅表层,中层和深层不同层区应变变化的规律,结果发现修复区的轴向应变(Ex),横向应变(Ey)和剪切应变(Exy)都呈现出明显的异质性。两种不同的缺损修复模型,轴向应变的变化规律不同。侧向应变和剪切应变都与宿主侧软骨有明显差别,并且由于人工软骨的植入,宿主区,修复区及交界区的浅表层,中层和深层软骨的侧向应变和剪切应变都呈现出区域特性的变化。其次,在全膝关节样本上制作股骨软骨完整和缺损实验模型,模拟膝关节直立状态,分别沿股骨力线方向对其以不同的加载速率加载到不同的载荷,将接触式压力感测片I-SCAN插入到关节腔股骨软骨和半月板之间,测量在加载过程中接触区域内压力的分布,峰值接触压力,平均接触压力和接触面积的变化。结果发现:不同加载速率,不同载荷和缺损都会改变膝关节的力学状态。对于完整样本,股骨软骨的平均接触压力和峰值压力随着加载速率的提高而增加,接触面积随着加载速率的提高而减小。当股骨软骨出现缺损时,不仅会在缺损边缘产生应力集中,关节腔内压力分布规律与完整软骨不同,而且主要承载区域会由股骨软骨与半月板接触区向其他接触区转移。此外,在不同的加载阶段,膝关节软骨和半月板之间的载荷分担也会发生变化。再者,同样利用全膝关节样本在股骨软骨和半月板接触区的主要压力承担部位制作圆形,三角形,方形和梯形四种不同形状的股骨软骨缺损实验模型,并使用琼脂糖凝胶配制两种压缩模量高低不同的人工软骨植入到样本缺损处,使用生物胶使其与宿主软骨粘合,完成缺损样本的修复。对完整样本,缺损样本和修复样本以相同的加载方案加载,结果发现:全膝关节软骨缺损和修复会使整个接触区域内压力分布重新分配。对于不同缺损形状的样本,都会在缺损边缘处产生明显的应力集中,有的情况下甚至可以达到同位置完整样本的3倍或5倍。并且在其他区域产生不正常的压力分布,使接触区内整体压力分布与完整组不同。利用低压缩模量的人工软骨修复缺损后,边缘应力集中现象虽有所缓解,但某些局部边缘处的压力仍大于完整组。高压缩模量的人工软骨在修复区承担的压力较大,在数值上接近天然软骨的水平,并且边缘应力集中现象基本消除,但在整个接触区域内压力分布仍与完整组存在些许差别。最后,建立全膝关节三维有限元模型,在股骨软骨和半月板接触区分别制作圆形,方形,三角形和梯形四种不同形状的股骨软骨全层缺损,对模型进行有限元仿真分析,结果显示缺损的存在不仅会明显改变股骨软骨上接触区应力和压力的分布状态,而且半月板和胫骨软骨的力学状态也会发生变化。另外,在加载完成之后,某些缺损边缘处也会产生应力集中。综上结果分析,不同的力学刺激都会对膝关节软骨的力学特性产生影响,并且全膝关节股骨软骨缺损和修复都会使关节腔内接触压力分布发生变化,甚至完全改变了正常生理状态的压力分配,对膝关节的健康和损伤治疗都有巨大影响。