随着我国人口老龄化的加剧，骨质疏松症已成为影响公众健康的重要因素之一。对于骨折后的骨质疏松患者，一旦手术方案规划不当，则将导致手术失败，且难以翻修。使用仿真骨进行术前规划是提高手术成功率的重要手段。目前市面上应用最广泛的仿真骨为国外合成骨。研究表明，该产品的皮质骨材料在力学性能上与人体皮质骨相当，但其内部填充的用于模拟松质骨的聚氨酯泡沫是均匀密度且各向同性的，而真实松质骨具有密度梯度变化及各向异性特点。另外，其形态参数及骨质特点与中国人骨骼有较大差距，且不便于制作骨折模型，因此在临床中的应用具有一定的局限性。完成力学等效仿真骨的研制，首先要对骨的力学性能进行精准预测。临床上往往通过骨密度来预测骨的力学性能。但研究表明，无论是作为金标准的双能X射线还是定量CT立体骨密度测定，其检测结果与临床表现中的骨折风险并不一致，在一定程度上反映了骨密度并不能直接代表骨力学性能的好坏。骨是多尺度生物材料，内部松质骨结构复杂。除体积分数（对应骨密度）外，其微结构特点也是宏观力学性能的重要度量之一。显微CT成像可以获得松质骨的微结构信息。以往研究中也曾对松质骨微结构特点与宏观力学性能间的关系进行了相关研究，但因其辐射剂量大，无法直接应用于临床。因此，如何既能考虑松质骨的微结构特点，又在人体安全的情况下准确预测松质骨的力学性能，并研制适合中国人的力学等效仿真骨是亟待解决的问题。

针对以上问题，本文建立了一种预测松质骨力学性能的多尺度模型，并以此为基础，进行力学等效仿真骨的研制。主要研究内容及结论如下：

1. 建立了基于临床CT信息且考虑松质骨微结构特征的力学性能预测模型。首先建立松质骨微结构参数、各向异性的量化算法，并通过织构张量描述松质骨微结构信息，计算松质骨正交各向异性力学参数。进一步地，建立临床CT灰度值与松质骨正交各向异性力学参数间的回归关系，分析解剖部位、各向异性程度差异对预测模型的影响。最后以松质骨的圆盘压缩实验进行验证。结果表明，较传统应用广泛的各向同性力学模型，该方法大大提高了松质骨宏观弹性模量及屈服强度的预测准确性。
2. 建立了依据CT信息个性化设计松质骨力学等效微结构的方法。以三周期极小曲面为基础，进行不同结构模式、体积分数、各向异性程度的微结构设计，并通过有限元计算，得出结构参数对宏观力学参数的影响规律。进一步地，结合松质骨力学性能预测模型，建立CT与等效微结构参数间的关系。最后通过股骨头大尺度球头压入实验、股骨头-螺钉耦合性能实验进行验证。实验结果表明，等效微结构可在85%以上的水平复现松质骨在特定情况下的综合力学响应。
3. 分别开展定制型、常规型两类力学等效仿真骨的研制。两类仿真骨内部均通过等效微结构设计达到松质骨的力学等效。定制型仿真骨借助3D打印技术实现畸形与骨折模型，而常规型仿真骨则进一步优化复合材料实现皮质骨的力学等效。最后将仿真骨与尸体骨、国外合成骨进行实验对比。实验结果表明：力学等效仿真骨除了在整体压缩、扭转刚度上与尸体骨及国外合成骨接近外，还能反映出中西方人因股骨颈前倾与股骨前弓角度的不同而产生的骨周应变分布的差异，以及可以复现股骨颈骨折、股骨近端劈裂骨折、假体周围螺旋形骨折等经典骨折形态。

综上所述，本文所建立的松质骨力学性能预测多尺度模型较传统方法可以更为准确的预测松质骨的宏观弹性模量、屈服强度，可为临床骨折风险预测、骨科虚拟诊疗提供依据。另一方面，本文研制的力学等效仿真骨因其在整体力学性能、断裂载荷、局部松质骨力学响应、骨周围应变分布等方面均表现出良好的力学等效性，且较国外合成骨更贴合中国人骨型，可以替代进口产品作为骨科术前规划及科研实验的通用耗材。