由于疾病、创伤和老年化等原因造成的大范围骨缺损的修复与替代问题,是人类几个世纪以来不断深入研究的重要课题。然而迄今为止,临床上对大范围骨缺损的治疗仍是世界难题。利用骨科植入物来重建缺损部位骨组织的结构和功能是现代骨科学的主要治疗手段。近年来,3D打印技术的发展为骨科植入物的设计和制造带来了革命性变化。孔隙结构由于其可控的力学性能和优异的生物学特性,越来越多的应用于骨科植入物的设计中。三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface,TPMS）建模法作为一种新兴的孔隙结构建模方法,与传统利用三维软件建模相比,操作简便,孔隙特征更容易调控,从而引起了研究人员的兴趣。理想的骨科植入物需要兼具高孔隙率和高强度,以满足力学性能和生物学性能的平衡,而通过合理的孔隙结构设计和优化可以达到这一目标。因此,研究孔隙结构设计和优化方法,对构建新一代骨科植入物有重要价值。本文的主要工作如下:本文首先对TPMS孔隙结构设计方法进行了研究,讨论分析了均质孔隙结构,梯度孔隙结构,融合孔隙结构的设计建模与参数调控方法,提出了仿天然骨的径向梯度孔隙结构设计方法。并基于3D打印技术,对TPMS孔隙结构进行了制作与结构表征。在TPMS结构力学性能的研究上,本文利用有限元法结合力学实验法进行分析,针对TPMS模型难以转化为有限元模型的问题,本文提出了针对TPMS结构的一套有限元建模法,并为TPMS孔隙结构的仿真分析提供了一套有效的分析方法;同时,本文对比研究了影响均质孔隙结构力学性能的因素,并且验证了仿天然骨的径向梯度孔隙结构力学性能的优越性,为TPMS骨科植入物的设计提供了重要参考。在孔隙结构促进组织再生性能的研究上,本文对TPMS孔隙结构的渗透性性能与孔道特征进行了研究。在渗透性能研究上,本文基于计算流体动力学原理,采用有限元的方法对影响孔隙结构渗透性能的因素进行了分析。在孔道特征研究上,通过对TPMS内部孔道曲面的研究测量,对比分析了TPMS结构相比于传统孔隙结构的优势,验证了TPMS结构作为骨科植入物孔隙结构的合理性。最后,在多孔骨科植入物优化设计上,本文提出针对骨科植入物的孔隙结构—拓扑优化方法,意图解决目前骨科植入物由于缺乏合理的优化设计,导致出现的应力遮挡,机械强度不足,难以促进组织再生等方面问题。本文以颈椎椎间融合器的优化设计为例,对优化方法与优化流程进行了详细的阐述,并通过有限元对比分析验证了优化结果的合理性。同时,针对优化后的孔隙率模型,提出密度映射法建立TPMS孔隙结构,并对椎间融合器孔隙结构进行了构建。本文基于TPMS模型,围绕骨科植入物孔隙结构的设计建模,性能分析,与结构优化上展开了详细的研究。建立了骨科植入物孔隙结构研究流程,为今后新一代多孔骨科植入物的研究提供了新的方法。