骨作为人体运动系统的重要组成部分，其形成过程受到力学环境和生物环境的影响而具有复杂的分级结构特征。随着人口老龄化问题的逐年加重，骨质疏松已成为困扰中老年人健康的严重问题，而女性绝经后的骨质疏松及由此引发的骨折已经成为威胁中老年妇女健康的主要疾病，给患者带来了沉重的精神和经济负担。本研究从宏观-细观-微纳观的多尺度深入探索与年龄相关的不同层次骨属性的变化，以及骨质疏松的发展过程，对骨质疏松的防治提供理论基础。另外，当前骨质疏松的治疗手段主要集中在药物、运动和营养方面，而非药物非侵入性的治疗方法——高频率低载荷全身振动对抗骨质疏松是一个非常有应用前景的方法，其实验研究已取得了一定的进展，本研究通过对尾吊大鼠施加不同间歇周期的全身振动刺激，从宏观-细观-微纳观多尺度探讨间歇振动对力学废用引发的骨质疏松的防治效果。结合实验研究，本文采用基于CT影像的非线性动态有限元分析来预测老龄人群侧身跌倒可能引发的髋部骨折部位和类型，为临床上骨质疏松的检测和防治提供理论依据。本研究可分为如下三个部分：第一部分通过宏观-细观-微纳观的多尺度系统研究来探索股骨结构形态和力学性能随大鼠月龄的变化和老龄化对骨属性的影响。选用1、3、5、7、9、11、14、15、16和17月龄雄性Wistar大鼠70只（n=7/组），左侧股骨进行微计算机断层扫描技术（micro-CT）扫描后，取5mm长的皮质骨中段测量横截面积并进行压缩试验，使用扫描电镜（SEM）观察压缩后的断裂面。使用原子力显微镜（AFM）观察左侧股骨干皮质骨与股骨头松质骨材料的矿物相，对左侧股骨头纵向松质骨、股骨干纵向皮质骨和右侧股骨头横向松质骨的包埋切片进行纳米压痕实验，最后使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）对股骨进行化学成分分析。结果发现压缩试验获得的皮质骨宏观力学性能参数和micro-CT所得松质骨细观结构参数与大鼠月龄显著相关（r2=0.96，p<0.05），且呈现有规律的变化。SEM结果显示压缩断裂面的微观形貌随月龄呈现片状-束状-片束状的变化规律，从而导致了宏观力学性能发生变化（r2>0.9，p<0.05）。ICP-OES所得骨材料的化学成分、纳米压痕实验测量的骨组织弹性性能和AFM测得的矿物颗粒尺寸和粗糙度随动物月龄发生变化，上述特性之间的相关性显著（r2>0.9，p<0.05）。研究表明股骨宏观-细观-微纳观的多尺度形态和力学特性，以及骨化学成分随大鼠月龄呈现显著变化，而骨成分与骨材料矿物形貌和力学属性的相关性在一定程度上解释了老龄化所导致的骨脆性增加的原因，可为临床上老龄化引起骨性能的变化提供理论依据。第二部分为了深入探索间歇性高频率低载荷全身振动对废用引起的骨质疏松骨形态和力学特性的影响，将49只3月龄雄性Wistar大鼠随机分为间歇振动1天组（VL1R）、间歇振动3天组（VL3R）、间歇振动5天组（VL5R）、间歇振动7天组（VL7R）、持续振动组（VLNR）、悬吊对照组（SPD）和基础对照组（BCL）。振动载荷为35Hz、0.25g、15min/day。8周实验后，取大鼠股骨进行micro-CT扫描后，测量其宏观力学性能，使用荧光测试评估骨矿物沉积率和骨生长速率，然后分别使用AFM分析和纳米压痕测试分析骨材料的纳米结构和力学属性，并使用ICP-OES分析骨的化学成分。研究结果表明高频率低载荷的间歇性全身振动会引起骨矿物重组和空间排列的变化，这将会导致骨矿物颗粒形成不同的尺寸，并导致骨矿物沉积率和骨形成速率的变化。骨的微观结构受到影响，从而导致了宏观力学性能的统计差异，然而骨材料本身的力学性能未发生改变。其中间歇7天的高频率低载荷全身振动比持续振动可以更有效地改善骨的宏观力学特性和微观结构，为临床上使用更有效的全身振动刺激来改善骨质量提供理论依据。第三部分探讨了不同的侧身跌倒姿势如何影响髋部骨折的类型和部位。本研究根据67岁中国男性的CT影像数据得到股骨近端的几何结构，使用Mimics和ANSYS软件建立皮质骨和松质骨模型。定义了六种不同方向的载荷情况：SW1（α=120°，β=0°），SW2（α=90°，β=0°），SW3（α=60°，β=0°），SW4（α=20°，β=0°），SW5（α=120°，β=15°），SW6（α=120°，β=45°），其中α定义为冠状面上载荷与股骨长轴的夹角，β定义为水平面上载荷与股骨颈轴线的夹角。使用显式动力学非线性有限元分析来模拟侧身跌倒。碰撞速度定义为3.17m/s，通过带有时间历程的应力和应变分析来探究骨折类型和撞击方向之间的关系。结果表明SW1-SW4引起股骨颈骨折，最大主应力分别为4.5MPa、6MPa、5MPa和4.8MPa（压应力）。SW5造成复合性骨折，包括股骨颈骨折和粗隆部骨折，最大主应力分别为6.8MPa（压应力）和6.5MPa（压应力）。SW6造成股骨粗隆骨折，最大主应力为4.2MPa（压应力）。股骨颈骨折的最大主应变（SW1：0.075，SW2：0.135，SW3：0.175，SW4：0.092）（压应变）和粗隆部骨折的最大主应变（SW6：0.045）（压应变），在撞击后的10ms便增加至最大值，并且要比松质骨的极限压应变高得多。本研究表明摔倒姿势是导致不同类型骨折的一个重要因素，模拟结果与临床表现相一致，非线性动态有限元模拟更有效地解释了骨折机理，并确定了导致髋部骨折的载荷方向，为临床上针对不同类型髋部骨折的预防措施提供了更多的理论依据。本研究从宏观-细观-微纳观的多尺度探讨了大鼠股骨形态和力学特性，以及骨化学成分随月龄的变化；并建立尾吊大鼠的力学废用性骨质疏松模型，通过施加间歇性全身振动刺激来深入研究振动刺激对力学废用性股骨的宏观-细观-微纳观多尺度形态、力学特性和化学成分的影响；最后采用非线性动态有限元模拟来预测载荷方向对髋部骨折的部位和类型的影响。为临床上老龄化引起骨性能变化的机理、骨质疏松的防治和髋部骨折的预测提供了理论依据。