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摘要临界尺寸骨缺损修复是当前骨组织工程中的重点课题，已引起广泛关注。目前主要的治疗手段是进行骨缺损修复手术，由于自体移植物、同种异体移植物和异种移植物在治疗临界尺寸骨缺损时均具有一定的局限性，因此骨组织工程支架成为治疗临界骨缺损的新选择。然而，目前骨组织工程支架仍存在如结构单一、宿主部位与支架弹性模量不匹配、骨长入性差和术后易失效等问题，限制了骨支架的发展与临床应用。<br>　　针对上述问题，本文以天然松质骨（NCanB）的骨小梁结构为模本，通过模拟天然骨小梁的高孔隙率随机多孔结构，并基于激光增材制造（激光粉末床熔融， L-PBF）技术利用NiTi合金材料，发展集仿生设计、力学性能调控和高精度复杂结构组织工程支架增材制造技术等融于一体的仿骨小梁支架设计与制备技术，在保证力学承载性的前提下，制备与天然松质骨孔隙率和弹性模量相一致的仿骨小梁支架（BioS）。深入研究了仿骨小梁支架的结构设计参数与其力学性能内在关系、研究了仿骨小梁支架的局部补强策略、探讨了力学性能可调控仿骨小梁支架的设计准则以及研究了仿骨小梁梯度结构支架在不同缺损模式下的骨修复适用性。本文主要研究内容与结论如下：<br>　　（1）分析天然骨小梁的结构特性，提取结构特征，并基于此设计出具有不同孔隙率和梁直径的仿骨小梁支架。通过压力试验、有限元（FE）模拟以及计算流体力学等多种手段研究了不同设计参数下仿骨小梁支架与临床常见支架的力学承载性以及促成骨能力等。结果表明BioS-85-90和BioS-80-50的力学性能几乎与天然骨小梁相同，有效避免了传统支架常见的“应力屏蔽”问题。计算流体力学分析表明，仿骨小梁支架的高流体剪切应力部位集中在支架内部，有利于机械刺激信号有效传递给粘附在支架表面的成骨细胞，促进其生长和分化。其中BioS-80支架在X、Y和Z轴方向均展现出最佳的骨诱导能力，具有良好的骨修复效果；<br>　　（2）受自然界中黏菌觅食行为的启发开发出黏菌算法（SMA）。通过有限元模拟主要受力部位骨缺损修复支架的近服役受力环境，以获得仿骨小梁支架的力学性能薄弱点。基于 3D SMA 算法完成仿骨小梁支架力学性能薄弱区的局部补强，基于此构建局部补强仿骨小梁支架（BioS-SMA），并通过压力试验与计算流体力学等手段探究其补强效果。结果表明，在不改变支架自身孔隙率与梁直径的前提下，构建出适用于主要受力区域骨缺损修复的局部补强仿骨小梁支架，补强后的仿骨小梁支架弹性模量保持在天然骨弹性模量范围内的同时，还具有更好的力学性能、可靠的服役性能和良好的促成骨效果，是一种更可靠、更有效的骨缺损修复骨组织工程支架；<br>　　（3）为了克服使用传统骨支架修复骨缺损所面临的弹性模量不匹配、力学性能难调节和缺乏个性化设计等挑战，研究开发出一种力学性能可自由调控的仿骨小梁支架。深入研究不同形态骨小梁结构力学性能差异，优化仿骨小梁结构并探究设计参数半径（R）和平滑参数（S）对仿骨小梁支架力学性能的调控机理。构建调控仿骨小梁支架力学性能的数学模型，并探讨其在应对不同受力区域骨缺损修复时的参数优化方案。结果表明棒-板状（RPT）骨小梁结构具有最好的力学性能，以此为模板设计出 RPT 仿骨小梁支架。通过控制设计参数，能够有效地调控仿骨小梁支架的力学性能；以髋关节植入体为例进行多目标优化，实现了在天然骨的孔隙率和弹性模量范围内，承载能力最高的仿骨小梁支架的构建；<br>　　（4）受天然骨小梁梯度结构启发开发出一种仿骨小梁梯度结构支架设计与制备工艺，分析并揭示了梯度-设计参数对仿骨小梁梯度结构支架力学性能的调控规律，解决了对天然骨小梁梯度结构模仿、简化、优化和应用的技术难题。构建了仿生结构设计与密度梯度调控协同作用下的仿骨小梁梯度结构支架并设计出对应的仿骨小梁梯度结构植入体，分析了其在不同缺损模式下的骨修复适用性以及生物相容性。结果表明所设计的仿骨小梁梯度结构支架的最大弹性模量不超过800 MPa，符合松质骨弹性模量的限制范围；仿骨小梁梯度结构植入体在应对不同骨缺损模型时，均表现出良好的骨修复效果，有效缓解了骨支架的“应力屏蔽”问题；生物相容性实验表明仿骨小梁梯度结构支架具有良好的生物相容性，是一种理想的骨修复支架。