随着组织工程和快速成型技术的发展,通过种子细胞、仿生支架和生长因子构建组织工程骨支架,为解决大面积骨缺损等问题提供了一条有效途径。建立满足个性化需求的组织工程仿生支架(亦称骨支架)是骨组织工程的核心。目前,设计、制造出具有复杂微观结构及形貌、合适孔径大小及分布的骨支架仍存在许多挑战。本文通过结合三周期极小化曲面(TPMS)和分形几何理论形成造孔单元;在此基础上,利用并扩展六面体网格划分技术和网格加密技术,提出随机移动顶点以及基于遗传算法的网格顶点等系列化策略,形成表面形貌和孔径分布可控的骨支架多孔结构建模方法,主要工作内容包括:(1)建立了孔隙单元结构和表面形貌可控的建模方法。通过制作生物衍生骨材料,对其进行分析、测量,得到骨骼的表征参数如孔隙率、分形维数等。将TPMS作为造孔单元的主体模型,利用W-M分形函数将孔隙表面分形特征附加到TPMS单元上,形成表面形貌可控的造孔单元,进而分析TPMS单元的构型参数与其结构表征参数之间的关系,使造孔单元的结构可控。(2)实现了基于六面体网格加密和顶点随机移动的骨支架孔径分布控制方法。采用Dual Contouring(DC)算法和八叉树算法对骨骼模型进行六面体网格划分,利用形函数将分形TPMS造孔单元映射到六面体网格中,得到骨支架的多孔结构模型。进而根据需求确定需要调整孔隙结构的区域,选择全六面体网格加密或随机移动区域内的网格大小,将骨骼孔径的随机分布规律映射到骨支架中。(3)提出了基于遗传算法的骨支架孔径分布优化控制方法。利用等效体积概念建立骨骼内孔隙结构与六面体网格的关联关系;进而拓展六面体网格划分方法,使其可包含骨支架的结构特征;在此基础上,针对六面体网格高度耦合的特点,提出了一种六面体网格移动的方法,并通过对网格顶点进行编码、计算个体适应度、交叉、变异等遗传操作并对遗传操作进行一定的拓展,以此实现对模型内孔径大小的控制,得到孔径分布符合期望分布规律的骨支架模型。(4)建立了骨支架多孔结构建模系统,并初步探讨了骨支架模型在数值分析和3D打印制造方面的应用。在开源CAD造型平台OpenCASCADE及可视化工具集VTK的基础上,采用Visual Studio等开发工具搭建多孔结构建模原型系统,验证了所提方法的可行性,并以此为基础进行了分析和讨论。进而应用Fluent对生成的多孔结构模型进行数值分析,并利用3D打印技术制造组织工程骨支架,初步探讨了多孔结构模型在这两方面的应用,以及对多孔结构正向设计模式的促进作用。