可降解生物陶瓷β-磷酸三钙(β-TCP)是一种性能优良的骨替代和修复材料，植入体内后将逐渐被新生骨替代。研究可降解生物陶瓷在体内的演变过程和机理对于设计性能及结构优异的骨移植材料具有重要的意义。由于受体内外试验条件的限制，可降解生物陶瓷在体内的演变过程还没有得到深入的认识。对于复杂系统来说，建模与仿真一直是一个受到高度重视的研究手段。计算机模拟技术具有：(1)模拟时间的可伸缩性；(2)模拟过程的可重复性；(3)模拟运行的可控性；(4)模拟实验的优化性、经济性、安全性和预见性等优点，因此运用计算机模拟技术探索可降解生物陶瓷的体内演变过程可以克服实验手段的不足。 可降解生物陶瓷β-TCP植入体内后，材料的降解和新骨的生长过程受多种因素的影响。从系统的角度考虑，可降解生物陶瓷在体内的降解和新骨的生长过程可视为一个复杂系统的动态演化过程，其复杂行为很难用一般的数学模型予以描述和模拟。元胞自动机具有简单的演化规则、时空离散化、高度并行的物理结构和复杂的动力学特性等特点，被认为是复杂系统的重要研究方法之一。本文基于元胞自动机方法建立可降解生物陶瓷在体内演变的仿真模型和运用可视化技术再现仿真的动态过程，目的是研究和探索可降解生物陶瓷的体内演变动力学。通过比较仿真结果与体内外实验的结果，不断地修改或增加参数以完善仿真模型；并且可利用完善的仿真模型来探索优化的骨移植材料的仿生设计，缩短新型人工骨材料的研发周期和降低实验成本。本文的主要研究内容和成果是： (1)可降解生物陶瓷的多孔结构分析以及结构模拟。本文以孔尺寸和孔隙率为建模参数，基于制备原理建立了多孔结构的仿真模型，模拟的多孔结构与通常体内外试验采用的多孔材料的结构非常相似；基于处理后的骨组织图像重构的多孔结构与真实的骨组织的多孔结构非常相似。运用分形理论分析多孔结构的复杂性，得出具有相近孔径、孔隙率的多孔结构可能具有不同的孔与材料的界面分形维；孔的分形维与孔结构的界面接触面积具有一定的关系，即分形维较大，孔结构的界面接触面积也较大。 (2)体液扩散进入多孔结构模拟。本文基于随机元胞自动机方法建立了体液扩散进入多孔结构的仿真模型，模型中主要的参数和演化规则根据体液在多孔陶瓷中的流动行为确定。由模拟结果可知：如果体液仅从上方扩散进入多孔结构，尽管模拟的多孔结构是有限的，但是可以清楚地获得渗流阈值在二维情况下大约为0.6；在三维情况下大约为0.34。仿真结果也表明：在均匀的孔隙中，不同的模拟次数下流经孔隙的体液没有显著的变化，反之若孔隙不均，则很难获得一定的规律。因此，制备具有均匀孔隙的多孔生物陶瓷有利于研究植入体内后材料的降解和新骨的形成。 (3)生物陶瓷体内降解和新骨生长的模拟。本文基于元胞自动机方法建立了仿真模型，模拟是基于细胞尺度下的微观结构。从计算机模拟产生的生物陶瓷降解和新骨生长的动力学曲线中可知：整个系统中可降解生物陶瓷由于体液的作用随着时间的延长而逐渐溶解变少；随着材料的降解，骨组织同时在孔隙内部生长，最后系统趋于平衡。模拟过程中材料的降解和新骨的生长都比较平缓，系统中材料和新骨的总量基本保持一致，这有助于保持多孔结构的负载能力。可降解生物陶瓷由于受到体液的作用和细胞的影响，植入体内后随着新骨的生长生物陶瓷逐渐被新骨完全取代。计算机模拟还产生了不同演化时步下材料的降解速率和新骨的生长速率曲线，为研究骨移植材料的降解过程提供了重要信息。通过比较不同多孔结构的骨移植材料的降解曲线和降解图像可知：与骨组织相近的多孔结构作为元胞自动机模型的初始演化系统，仿真结束时产生的多孔结构与真实的骨组织结构非常相近，且材料降解与新骨生长过程的同步性也更为理想。 (4)可降解生物陶瓷体内演变过程的可视化。本文运用MATLAB编程实现了仿真建模的可视界面设计和仿真过程的动态可视化。可视界面提供了仿真模型的参数输入、仿真命令的输入、仿真结果的图形显示，为仿真模型的有效性提供了桥梁。仿真结果的三维显示及其剖面显示为研究三维多孔支架和仿真产生的内部结构提供了有效的手段。仿真过程的动态显示有利于研究可降解生物陶瓷植入体内后材料的降解和新骨形成的动态过程，弥补了体内外试验手段的不足。 本文基于元胞自动机理论建立的仿真模型，以及通过编程进行的仿真实验，是一种较为理想化的研究，忽略了可降解生物陶瓷从一种无生命物质转向有生命物质的过程中许多复杂的生物化学过程，而是注重元胞自动机这种数学工具在骨移植材料研究方面的应用能力的探索。