骨缺损修复是骨科面临的一大挑战,但传统的治疗方案存在诸多缺陷。多孔骨支架因具有良好的机械性能和生物性能,被广泛应用于骨移植手术中。骨在多孔支架内的再生过程是涉及炎症反应,血管生成,细胞迁移和分化等复杂过程。多孔支架网络为骨组织再生提供了微环境,能够运输生长因子、营养物质和排出废物,对促进骨组织的形成至关重要,但迄今为止,研究者对骨支架孔结构对骨长入影响机制的认识还不足。为了设计合理的多孔骨植入物,本论文尝试建立模型定量描述骨重建机制以及多孔支架对骨长入影响因素。本文首先发展了一个基于Agent的连续-离散耦合的骨长入数学模型,用数学公式描述了骨在多孔植入物内的长入过程,包括细胞活动、血管网形成和物质的扩散等多个方面。其中生长因子和氧气的扩散用扩散方程描述,细胞的生命活动用蒙特卡洛方法模拟。模型完整地展示了骨组织在植入物内长入时细胞和血管的演变过程,骨沉积预测结果与已发表动物实验结果相符合,可用于研究骨组织在多孔植入物内的长入过程。在此基础上分别研究了微孔结构、孔径大小、支架内初始氧浓度和干细胞密度与骨长入结果的关系。结果表明支架孔结构会改变支架的渗透性,进而影响生长因子的扩散、氧气的运输和细胞的迁移,最终改变骨沉积的体积和分布。论文最后对多孔植入物内生长因子释放、孔结构进行优化设计。通过对支架内涂层生长因子(BMPs、TGF-β、VEGF等)释放位置、速率的控制,能诱导支架内骨沉积位置的合理分布。通过对支架内微孔结构设计,可以促进支架-自然骨组织界面附近的骨质沉积,提高支架的骨结合能力。