关节软骨是人体重要的承受力学载荷的组织，其周围的生理环境复杂。先天的畸形、突发的外伤或其他退行性病变，常造成软骨缺损，逐渐成为现代社会中影响人类健康的重大问题，关节软骨的修复需求也日益增加。目前，对关节软骨的研究集中在组织工程构建领域：一方面，运用生物反应器模拟天然软骨在体生长条件，包括生理环境和应力状态，为种子细胞和支架复合体提供适当的力学刺激，促进细胞增殖、分化，形成有结构、有功能的组织；另一方面，采用数值模拟方法，通过有限元分析等手段，评估关节软骨的力学性能，预测其生长、发育、受载、损伤及修复的过程。　　本文详细调研了关节软骨组织工程体外功能化构建的力学生物学背景，综述了国内外组织工程生物反应器的研究现状，完成了力学刺激在软骨组织工程中的应用、骨与软骨组织工程生物反应器相关的文献调研。在此基础上，本文设计、制造了双轴复合仿生加载生物反应器，从双轴复合加载的力学生物学和运动学背景出发，归纳、分析、总结设计要求，制造的生物反应器可为组织工程体外培养提供静态、动态压缩，动态扭转剪切等多种载荷；进一步设计了单向滚动、单向滑动同步对照仿生加载生物反应器，可为组织工程体外培养提供单向滚动、滑动，往复滚动、滑动，静态压缩等多种载荷。　　同时，本文综合考虑关节软骨多相性、渗透性、各向异性、膨胀性和粘弹性在内的各种力学特性，以人的步行和站立状态为背景，建立了关节软骨二维和三维有限元模型。运用ABAQUS软件，通过编写子程序，赋予关节软骨参数化的材料属性；建模过程中考虑钙化软骨和软骨下骨在关节软骨力学承载过程的作用，建立复合模型；结合人体正常步态周期中膝关节的运动模式设定边界条件，对站立和步态载荷条件下关节软骨力学行为进行有限元模拟，包括Mises应力、真实应变、孔隙压力、孔隙率和液体流动情况，总结不同力学条件和参数对关节软骨力学行为的影响。研究发现，在站立状态下，随着站立时间增加，关节软骨Mises应力、真实应变、孔隙压力、孔隙率和液体流动情况均发生明显变化；在行走过程中，滚动、滑动等载荷加载速度的变化也会影响上述参数，相对于滑动速度，滚动速度较明显地引起Mises应力变化；当不超过生理压缩载荷时，同时施加旋转载荷对上述参数无明显影响，超过生理压缩载荷后，旋转载荷将增加关节软骨内部Mises应力、孔隙压力和最大拉伸应变。因此，关节软骨对于正常生理载荷可以保持足够适应性，在行走过程中，应减少负重，避免关节软骨过载；在长时间站立情况下，关节软骨最大应力区域被逐渐转移到承载能力强的软骨下部，可能有利于透明软骨不受伤害；关节软骨之间相互挤压，该过程产生的力学刺激形成了关节软骨独特的流动模式，有利于新陈代谢；关节软骨新陈代谢的过程不仅和关节滑液产生物质交换，也通过钙化软骨、软骨下骨和血液产生物质交换。本文的研究为关节软骨功能化自组织生长实验研究提供了理论参考和实验装置，为后续开展实验研究打下了良好基础。