骨是具有多层次的分层性质的多孔材料,当生理载荷由宏观传递到微观的过程当中,不同层级之间的功能单元会表现出不同的性质,但相互之间又有紧密的联系,使得骨组织可以执行统一的力学、生物和化学功能,如支撑,保护,运动,骨重建和化学离子平衡等。在实现这些功能的过程中,骨内应力应变分布及液体流动扮演着重要角色。骨内液体流动会产生压力梯度、溶质运输、流体切应力及流动电位等效应。有些效应会作为刺激信号被骨细胞感受到并发出骨形成和骨吸收等指令,从而影响骨的宏观力学性能。骨组织在一生中会不断通过骨重建过程来适应外部力学环境的变化。因此,研究受载后骨组织内各层级结构中的应力-应变场和流体渗流行为具有重要意义。本文基于多孔弹性理论构建骨组织内液体流动刺激信号的多尺度传导模型,探讨了不同尺度下的不同生物功能单元的结构及材料属性的变化对骨内应力应变场和液流刺激信号传导的影响,进一步探索了流体产生的力学信号刺激对骨细胞生长和分化的微观作用机制。主要工作内容和结论如下:（一）在宏观大段骨组织上考虑了骨髓腔到骨外膜之间的皮质骨部分,应用多孔介质弹性力学原理分别建立了整体大段骨组织的理论模型和有限元模型,通过对比两种模型,验证所建模型的有效性,并且研究了生理载荷作用下骨组织内部孔隙压力和流动分布,从而架起了骨组织内应力-应变场和液体压力-流速场与力学环境之间的关系。在宏观尺度上主要考虑的是血管孔隙,随着血管渗透率的越小,血管孔隙压力和流速越大,而且当宏观血管孔隙和宏细观骨陷窝-小管孔隙尺寸相近的时候,血管孔隙压力会对骨陷窝-小管系统的孔隙压力产生较大影响。考虑到以前的分析大都在骨陷窝-小管孔隙尺度进行,而作为生命活动的骨基本上以整体结构来实现其功能,如行走、跑步和跳跃等,因此对于宏观整体骨组织在生理载荷作用下产生的流体流动行为的研究,不仅是弄清楚液流刺激信号影响骨细胞生长机理的必要步骤,也是实现骨治疗和骨重建的生理基础。（二）在宏细观骨间质-骨单元群尺度上忽略了骨髓腔及骨单元内哈佛氏管,并且重点分析和比较骨内膜到骨外膜的皮质骨中各个功能单元的液体压力,流速,应力和应变的变化规律。受周期性的载荷的影响,骨组织各处的流体压力,流速,应力和应变和呈现周期性的变化,这样导致骨单元内液体呈现周期性往返流动,有利于埋藏在固体基质内的骨细胞-小管充分吸收和代谢液体中的营养物质。骨间质上的应力是最高的,这样容易对骨单元产生应力遮挡效应,可以有效的保护骨单元及其包裹着的骨细胞-小管。渗透率减小一个数量级,峰值压力增加一个数量级,而流速始终保持在一个数量级。骨间质和骨单元外壁处的流速都小于2×10^-8m/s几乎不会引起骨的力传导响应,这可能与骨间质和粘合线处的骨细胞分布密度较低有关。（三）在细观骨单元-骨板层-粘合线尺度上分为两个方面来研究,（1）骨单元形态。骨形态的改变是由很多因素造成的,如年龄、活动水平和骨质疏松症等,但对这些改变是怎么影响骨的生物力学性能和骨内溶质运输却知之甚少。在这项研究中,骨单元的形状、横截面曲率、横截面面积和壁厚都在轴向循环载荷的作用下被观察,且都对骨内液体流动有较大影响。（2）骨单元骨板层。由于骨单元内矿物质含量及胶原纤维排列方向的不同,不同骨板层上的材料参数有很大差异,在细观模型中细化了骨单元的骨板层,骨间质、粘合线,并考察了弹性模量和渗透率对其多孔弹性行为的影响。由于细观模型尺度与宏观和宏细观差距较大,所以在细观模型上应用了子模型法,并对模型进行验证。包含细观模型的宏细观模型界面的应力,应变,压力和流速都与应用子模型法的细观模型差距很小,充分证明了细观模型的正确性。骨板层上弹性模量的变化对应力应变场有较大影响,对压力和流速场有较轻的影响。渗透率的不均匀分布对流体压力和速度的产生显著的影响,但是对应力和应变几乎没有影响。这项研究对临床上制作和选择骨的多孔支架或替代物有重要的参考意义,并且对进一步理解骨力传导机制和一些像骨质疏松之类的骨质疾病具有重要参考价值。（四）在微观骨陷窝-骨细胞-骨小管尺度上,（1）首先利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为。其次,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,再次,利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响。在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%。伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝。骨陷窝从0°绕x轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响。该模型表明骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响。这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为。（2）根据骨小管和骨陷窝显著的独特结构参数分离骨陷窝和骨小管。在微观尺度上首先分析了骨陷窝和骨小管的孔隙压力,液体流速和流体切应力对渗透率的敏感性,其次分析了沿着骨组织半径方向和沿着骨单元半径方向骨陷窝和骨小管的孔隙压力,液体流速和流体切应力的变化规律。骨陷窝和骨小管内峰值压力和流体切应力都对渗透率表现成高度的敏感性。骨陷窝和骨小管衔接部位的压力,流速和流体切应力有明显的波动,这是因为骨陷窝和骨小管的孔隙尺度不同,且最大压力梯度和最大流体切应力都发生在与哈弗氏管靠近的第一个骨陷窝和骨小管之间。骨陷窝处的流速明显大于骨小管,骨小管处的切应力要明显大于骨陷窝。这项研究有助于对骨陷窝-骨细胞-骨小管的空间特性（包括密度和形态）以及这些特性与疾病和衰老的潜在关系提供一个更深层次的理解。