骨组织工程为治疗骨缺损提供了一种新方法,支架结构对成功构建工程化骨组织具有重要作用,此领域涉及材料科学、制造科学和生物医学等多学科知识,虽未进入临床应用,但具有广阔发展前景。综合考虑骨支架的力学性能和生物学性能,设计和制备多孔结构是推进此技术发展的关键。本文提出了一种骨支架的结构设计方法,构建了一种非均布孔骨支架;建立了羟基磷灰石浆料在激光单线扫描下的固化模型,揭示了各工艺参数对固化线厚度和固化线宽度的影响规律;研究了工艺参数对骨支架成型质量、多孔结构对骨支架力学性能的影响规律;建立了骨支架内的多场作用模型,研究了骨支架内的孔壁应变、流体剪应力和细胞相浓度的分布规律;揭示了多孔结构对细胞增殖分布的影响规律,建立了骨支架内细胞增殖性能的预测模型。提出了一种骨支架的结构设计方法,构建了一种非均布孔骨支架,分析了骨密度变化规律、孔结构分布特点和单元不连续现象的影响因素。结果表明,随着迭代次数增加,处于应变能密度死区内的单元数先迅速增加,后趋于平缓,以最大骨密度或最小骨密度或应变能密度进入死区的方式缓慢达到收敛;骨支架纵向截面的孔道沿纵向分布且连续性较强,而横向截面的孔道呈不规则网状分布且连续性略差;空间系数或最小限制孔径增大造成不连续单元个数减少。结合激光在时间和空间上的分布特点,建立了羟基磷灰石浆料在激光单线扫描下的固化模型,研究了激光功率和扫描速度对固化线厚度和固化线宽度的影响规律。结果表明,随着激光功率的增加或扫描速度的减小,固化线厚度的增大趋慢,此趋势与理论分析一致;光斑半径越小或透射深度越大,则宽厚比越小,截面轮廓的抛物线越细长,反之宽厚比越大,截面轮廓的抛物线越扁平;通过直线拟合得到羟基磷灰石浆料的透射深度为35.1μm,临界曝光量为11.4mJ/cm2。研究了工艺参数对骨支架成型质量、多孔结构对骨支架力学性能的影响规律。结果表明,随着激光功率的增大或扫描速度的减小,骨支架侧面方孔的宽度不断减小;扫描间距越小则两条固化线的重叠区域越大,过固化隆起程度越大,造成上表面粗糙度增大,而扫描间距不影响下表面的粗糙度;通过正交实验确定的最佳层厚为100μm、激光功率为60mw、扫描速度为7m/s、扫描间距为50μm;羟基磷灰石骨支架的抗压强度为20MPa-37MPa,与松质骨的抗压强度相当,远小于密质骨;有效弹性模量随着孔隙率的增大而降低,可在1.8GPa-7.1 GPa之间调节,使之与原始骨骼匹配。建立了骨支架内的多场作用模型,研究了骨支架内的孔壁应变、流体剪应力和细胞相浓度的分布规律。结果表明,本文构建的非均布孔骨支架比常规的均布圆孔结构的孔壁应变分布更均匀,进口流速对孔壁应变的影响由中央区向外围区减弱;骨支架外围区流体剪应力最大,过渡区次之,中央区最小,顶部直角弯道处易出现较高的流体剪应力;细胞相浓度在骨支架横向孔道的下壁面较高,在底部侧面出口处几乎是0,随着进口流速的增加先趋于均匀,后易堆积。对羟基磷灰石骨支架的生物相容性进行了评价,研究了细胞相浓度、孔壁应变和流体剪应力对细胞增殖性能的影响规律,建立了细胞增殖性能的预测模型。结果表明,羟基磷灰石骨支架的细胞毒性为0级,即具有非常好的生物相容性;细胞接种初期流速超过3mm/s时,即使在高细胞相浓度区,也难得到较高细胞覆盖比;孔壁应变的增加可提高细胞覆盖比,随着时间的推移,由孔壁应变造成的细胞覆盖比的差别逐渐增大,但孔壁应变超过4600με后,细胞覆盖比反而轻微降低;在本研究的外载荷条件下,1×10-3Pa-5×10-3Pa为较适宜细胞增殖的流体剪应力范围;骨支架内细胞覆盖比的预测值和实验值的误差为1.5%-14.5%,第1天预测值较准确,与测量值的误差仅为1.5%-2.9%。