疾病引起的骨缺损是患者骨功能丧失和生活质量下降的重要原因。通过手术植入多孔骨支架是临床上治疗骨缺损的重要手段。多孔骨支架的结构设计依赖于对骨再生过程的深入理解。然而,骨在多孔骨支架中的再生过程涉及诸如炎症反应、细胞的迁移和分化以及血管的生成等复杂的生理过程,生物实验很难系统和完整地描述这一过程。骨再生数学模型提供了一种定量分析的手段,用以探究体内和体外实验中无法解析的生物过程,有助于个性化多孔骨支架的结构设计。本文建立了一个连续-离散耦合的骨再生计算模型,用数学模型描述了多孔骨支架内的骨再生过程,模型考虑了细胞活动、血管生成、物质扩散等因素对骨质分布的影响。模型能较为直观地模拟支架植入骨损伤部位后,多孔支架内部发生的生理过程并预测不同时间下骨沉积的分布情况。在此基础上,本文发展了基于格子玻尔兹曼方程的骨再生计算模型的GPU计算程序,解决了由支架尺度以及复杂空间结构带来的运算时间过大的难题。计算结果表明,基于GPU的模型相比于CPU的模型运算速度提高了6倍以上。模型计算得到的骨沉积分布预测结果与生物实验的染色结果相吻合。在此基础上,本文探究了几种影响骨再生结果的多孔支架设计参数,分析了这些参数的改变对骨再生结果的影响。研究表明,多孔支架的弯曲程度会改变支架内细胞因子的分布,从而影响细胞的迁移、增殖、分化以及血管分布,最终改变多孔支架内的骨沉积分布以及骨沉积的总量。孔径的改变会影响骨质的分布情况,高连通性的孔结构能够提升骨组织与多孔支架结合程度。最后,论文对模拟支架-骨整合结构的力学性质进行分析,模拟支架植入初期的支架-骨整合结构应力分布情况以及90天时支架-骨整合结构结合紧密程度。研究表明螺旋状的多孔结构其植入初期不容易在支架内产生应力集中,推出测试也说明螺旋结构的多孔支架内骨与支架的结合力明显提升。该结论为设计更加适合人体的多孔支架结构提供帮助。