组织、器官损伤或缺损的修复以及功能重建一直是医学领域研究的重大课题,而通过生物支架实现受损组织或器官的修复和重建是目前研究的热点方向。根据支架的结构特点,可以分为管状支架和多孔支架。以管状气管支架为例,理想的支架应该具有稳定的力学性能,兼具强度与柔韧性,为软化或者破损的气管组织提供支撑的同时可以适应呼吸、吞咽等造成的气管变形。对于幼儿,支架需要具备随着气管的生长而逐渐调整自身状态的自适应能力。以多孔骨组织支架为例,理想的支架应具备足够的机械强度、合适的孔隙率、优异的骨诱导性,植入后需要与周围的组织紧密接触以实现骨整合。为了获得组织支架的理想化设计,发展具备微创植入及自适应功能的个性化定制支架,实现结构多功能化、促进支架结构的升级换代是迫切需要解决的科学问题。本文的研究基于形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）及形状记忆聚合物复合材料（Shape Memory Polymer Composite,SMPC）,针对骨组织和气管支架目前所涉及到的问题,设计并制备了形状记忆组织支架,建立了相关力学模型预测其热力学行为,研究了拓扑参数对其力学性能的影响,力求实现针对不同患者的、不同部位的、不同需求的组织支架的个性化定制及微创植入。形状记忆组织支架在进行微创植入并展开的过程中均涉及到复杂的变形和应力状态,预测其变形历史有助于理解SMP复杂的热力学机制,优化支架的形状回复性能。为预测SMP和SMPC的热力学性能,为组织支架的设计提供理论指导,首先结合相变概念和流变学理论,提出了基于变形梯度乘法分解的有限变形理论;分别对玻璃相和橡胶相建立了本构关系,并重点考虑了其率相关行为;对热力学循环过程中的应力-应变-温度响应进行了预测。其次,引入多个平行的Maxwell支链来描述SMP和SMPC的多重弛豫过程,建立了SMP和SMPC的广义Maxwell模型（Generalized Maxwell Model,GMM）,对其热力学循环过程进行了仿真。最后,结合GMM模型和Mori-Tanaka理论建立了颗粒增强SMPC的本构理论;给出了SMPC有效力学性能的预测,讨论了颗粒相夹杂参数对SMPC力学性能的影响,利用该模型对SMPC热力学循环行为进行了预测。为了制备兼具柔韧性与结构性能稳定的、可微创植入的、具有不同功能特性的形状记忆气管支架,结合仿生、负泊松比、手性性能提出了多种设计方案,并利用4D打印和SMP实现了气管支架的个性化定制。首先,在对玻璃海绵独特的网状结构充分观察的基础上,提出了四种仿生支架的设计方法;采用不同的形状记忆材料,通过4D打印技术和模压法进行了制备,并通过实验和仿真对支架的力学性能和展开性能进行了表征。其次,结合分形几何思想,从轻量化设计的角度,设计并制备了一种新型的防滑移自扩张负泊松比气管支架结构,从理论、实验和仿真三个方面讨论了几何参数对相关力学性能的影响。最后,基于手性结构良好的柔韧性和比强度高的特点,提出了既具有拉胀特性,又具有抗剪等功能特性的形状记忆手性气管支架的设计方法,通过实验和仿真研究了拓扑参数对相关力学性能的影响;设计并制备了基于正方手性和六角手性结构的泊松比分段变化的混合型支架。为了建立骨组织支架的结构-功能关系,结合仿生设计、三维周期极小曲面、点阵结构以及4D打印技术,设计并制备了具有骨诱导性、空间层次的骨组织支架结构,实现了骨组织支架的个性化定制。首先,以孔隙率和连通率为主要量化指标,在对莲藕和天然骨组织微结构充分观察的基础上,进行仿生设计并制备了四种骨组织层级结构,对其力学性能及展开性能从理论和实验的角度进行了研究。其次,在考虑孔隙率以及孔径的前提下,以支架表面的平均曲率为主要设计指标,通过控制方程建模设计并制备了三维周期极小曲面骨组织支架结构,对其力学性能及展开性能从理论和实验的角度进行了研究。最后,以提高比吸能效率为设计目标,以梁单元为基本拓扑单元,设计了具有重量轻、比强度高等特点,在减振、吸能方面有着独特优势的点阵结构,并通过4D打印技术进行制备。通过仿真和实验研究了拓扑参数对结构力学性能的影响,并在此基础上设计并制备了具有力学性能呈梯度变化的支架。通过生物实验评估了部分支架的生物学性能。通过体内和体外实验对仿生气管支架的生物相容性进行了评估,通过体外成骨实验和动物实验对仿生骨组织支架和三维周期极小曲面骨组织支架的骨诱导能力、成骨能力等进行了评价。