背景:人工全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）是治疗严重的或终末期的膝关节退行性疾病最有效的手术方法。有研究预计美国2030年手术量将是2005年手术量的6倍,年手术量将超过300万例,而我国人口总数是美国的几乎4倍,但膝关节手术量仅为40多万,需要行TKA的人数正在逐步增加。TKA手术对医生的手术技术熟练度要求高,特别是截骨技术。在TKA中,精准截骨是保证手术成功的关键步骤之一。但临床上使用摆锯截骨会产生误差,原因通常有以下几方面:（1）使用传统摆锯主要依靠术者手持进行截骨,更多是依靠经验和肉眼观察截骨方向;（2）电动锯片自身有1mm厚,加上摆动不均衡,截骨损耗厚度往往超过2mm;（3）如果金属截骨导板不及时更换,截骨槽会因为磨损扩大,锯片上下摆动更大,截骨损耗厚度甚至超过3mm;（4）切割致密的硬化骨时容易造成截骨面不平整,导致膝关节假体装上后与截骨骨面不贴合。为了到达良好的下肢力线,研究者们开发了一系列的新工具来帮助医生实现精准截骨。目前有效的且得到了广泛应用的有辅助全膝关节置换的手术机器人、个性化定制3D打印截骨导板、导航辅助全膝关节置换等。这些新技术极大的提高了截骨的精度。但无论是手术机器人还是3D打印的截骨导板又或者是导航辅助全膝关节置换,使用的截骨工具都是摆锯,摆锯截骨导致的问题仍然没有得到有效处理。激光技术的飞速发展,为实现精准截骨带来了可能,激光切割是最具潜力的截骨方法,激光精准、便捷、多维操作等优势结合机器人技术可能会进一步提高TKA的截骨的精准性。用于骨切割研究的激光有CO2激光和Er:YAG激光,二者中CO2激光的切割效率更高。目前尚无激光截骨在全膝关节置换术中的应用研究和报道。因此本研究拟应用一种新的CO2激光器,设计一套激光截骨系统,在动物膝关节上进行截骨研究,评价截骨的安全性以及截骨面的生物活性。方法:1、通过文献调研,选取一种性能适合骨切割的激光器,设计一种新的激光截骨系统。然后用该系统对动物新鲜离体股骨进行TKA的股骨远端截骨,验证该系统截骨的可行性。2、实验组用激光切割新鲜的离体动物股骨,对照组使用机械工具切割,扫描电镜分析两种工具截骨后的骨面结构特点、利用组织学方法评估两种工具对截骨面的热损伤。通过分析成骨相关细胞在截骨面上的生物学行为研究两种工具切割的骨面的生物学特性。3、激光和机械工具在大鼠股骨髁制备骨缺损,植入3D打印的多孔钛假体,使用Micro-CT扫描对比分析激光和机械工具制备骨缺损的假体骨整合情况。结果:1、激光截骨系统能实现离体动物股骨远端TKA五个面和髁间截骨。2、与机械截骨工具相比激光不会对骨和细胞造成热和机械损伤,切割后的截面更平整,并且激光切割后会得到一个保留骨天然结构的截面并有利于细胞黏附和扩展。3、体内实验结果表明激光切割更利于内植物的骨整合。