骨缺损是由创伤、肿瘤、先天性畸形、骨感染等原因引起的临床常见疾病,是造成肢体残障的重要原因之一。近年来,骨组织工程技术已成为骨缺损疾病治疗的重要手段。骨缺损部位的骨组织-支架复合植入物需通过体外培养获得。体外培养条件、支架材料、以及支架的形态特征是决定能否成功获取骨-支架复合物的关键因素。在体外培养过程中,支架表面黏附的种子细胞存在于复杂的力学环境下。骨组织工程支架将力学激励传递给种子细胞以促使其增殖与分化,同时也为骨的生长提供了临时的力学支撑。然而,目前的实验手段无法准确测得支架内的力学环境参数,通过有限元分析方法可以很好地解决这一问题。本研究采用Micro-CT影像与有限元技术相结合的方法,建立了具有不同形态、材料的骨组织工程支架有限元模型,定量分析了支架内的力学激励,并模拟预测骨髓间充质干细胞(BMSCs)在不同支架结构上的分化结果。本研究主要可以分为以下三个部分:第一部分对基于松质骨理想化胞元形态的骨支架模型进行细胞分化仿真分析。测量支架的三维孔形态参数,并且对体外培养条件对细胞分化结果的影响进行了预测。首先利用Rhino三维建模软件建立了5种孔隙率为65%的三维骨组织工程支架模型。支架采用线弹性PDLLA材料,在0.5-5%的压应变作用下,分析模型表面的应变分布情况,同时在孔内模拟稳态流,入口流速为0.01-1 mm/s,计算支架表面的流体剪应力(FSS)。最后,基于细胞分化定量理论对不同支架表面的BMSCs分化结果进行了预测分析。结果表明,应变和流体剪应力的分布取决于支架内孔隙的分布。进口流体速度和压应变以及支架的形态均会影响支架表面BMSCs的分化结果。当轴向压应变在0.5-5%,流体初速度在0.01-1 mm/s范围内时,所有支架的骨和软骨分化面积可达到90%以上。本研究设计的不同孔结构支架在压力和流体流动作用下可以产生不同程度激励以利于BMSCs的分化,并满足不同骨缺损部位对力学性能的需要。第二部分依据动物松质骨形态,对显微结构参数与力学参数、细胞分化参数的关系进行了分析。首先对雄鼠和牛的松质骨进行Micro-CT扫描,选取孔隙率为65%左右的松质骨结构建立1 mm3的三维立方体支架,施加进口流体速度和压应变,进行体外灌流培养条件下的有限元数值模拟。支架固体采用线弹性的聚乳酸(PDLLA)材料,对其施加0.5-5%的压缩载荷,同时模拟入口流速为0.01-1mm/s的牛顿流。根据细胞分化定量理论确定不同初始条件下,力学激励对每种结构表面BMSCs分化结果的影响。结果表明,应变和流体剪应力的分布取决于松质骨结构支架的形态。不规则的形态结构使激励分布极不均匀,并且细小孔道处出现应力集中现象。细胞分化过程中对于进口流体流速比支架所受轴向应变更加敏感。当入口流体速度在0.01-1 mm/s,整体压应变在0.5-5%范围内时,所有支架壁表面的骨分化面积可达到90%以上。与牛松质骨结构支架相比,鼠松质骨结构支架骨分化区在60-90%之间的分化激励值范围较大。相对于鼠松质骨结构支架,具有更多板状结构的牛松质骨结构支架的软骨分化情况更好,软骨分化区在60-90%之间的分化激励值范围远远大于鼠松质骨结构支架。本研究依据松质骨形态建立支架结构,提取出了能够全面反映支架形态的3个主元素,对显微结构参数与力学参数、细胞分化参数进行了相关性分析,并建立了主元素与力学参数、细胞分化参数之间的回归方程。在进行细胞体外培养时,可以为BMSCs提供更贴近于体内的力学环境,为支架形态的设计和临床治疗骨缺损提供了理论基础。第三部分针对不同工艺制备的生物材料支架,比较了支架在不同流体加载参数条件下的力学环境。基于Micro-CT影像重建三维Ti O2生物材料支架,测量支架的孔形态参数,并通过扫描电镜观察支架表观形貌。另外,将本研究得到的渗透率结果与其它研究进行了比较,验证了仿真分析的有效性。最后,对支架内的力学激励(流体剪应力和固体应变)进行定量分析,同时与其他三种商业骨支架材料(Bio-Oss,Cerabone,Maxresorb)进行了比较。结果表明Ti O2的力学性能相对较差,但壁面流体剪应力明显高于其他商业骨支架替换材料。另外,不规则的支架形态会形成不均匀的激励分布,且在四种支架内产生的流体剪应力均在BMSCs产生生物学反应的激励范围内。本研究从力学性能、生物材料、组织学等多角度评价了骨组织工程支架的性能,研究结果可以为生物反应器内体外培养条件的设计,以及临床特定部位骨缺损的修复提供重要的理论依据。所建立的三种不同形式的支架模型(理想化支架模型,动物松质骨支架模型,以及合成生物材料支架模型)可以作为研究体外灌流培养实验的基础,并为体外培养条件下支架的制备与临床应用提供更为直观的依据。