飞秒激光具有超快时间分辨、超高空间局域和超强峰值功率的特点，可以在任何的透明介质内部诱导介质的非线性电离和损伤，从而实现介质内部的体制造和亚衍射局域损伤，在飞秒激光光聚合微加工和活细胞微手术的研究中具有无比优越的特性。在生物医学领域，飞秒激光活细胞三维空间手术属于新兴的研究课题，也将对未来的生物医学技术的发展做出杰出的贡献。因此，本课题主要研究了飞秒激光与生物介质（细胞）的相互作用，提出了两种精密控制细胞活性的新方法，建立了集激光技术、生物技术、纳米技术于一体的多功能实验平台——飞秒激光非线性介质和活细胞微手术微操纵实验系统，对纳尺度科学问题研究，对构筑、操纵纳米器件，特别是单分子或单细胞科学研究具有重要意义。　　 飞秒激光与介质的相互作用不可避免的经过以下过程：飞秒激光的非线性传输、飞秒激光的聚焦、介质的非线性电离、介质的损伤。因此，本课题将飞秒激光所独有的超高峰值功率诱发的非线性效应和超快时间特性诱发的临界现象引入理论研究中，对飞秒激光的传输和聚焦、介质的电离和损伤进行理论计算；根据飞秒激光的上述独特性质，讨论了实验过程中显微物镜的选择、亚衍射分辨率的实现和激光器的合理利用，为实验研究提供理论指导。　　 建立了基于非接触、高精度的光加工、光手术、光捕获的飞秒激光非线性介质和活细胞微手术微操纵实验系统，该实验系统由四大模块组成，包括激光发生模块、光路传输模块、显微镜模块和超精密定位模块，可以实现飞秒激光光聚合三维加工、活细胞手术和光镊功能，对多学科的研究提供了一个多功能的平台。在光敏树脂ORMOCER和活细胞两种透明介质内部对飞秒激光的三维制造能力和亚衍射分辨能力进行了验证。得到了突破衍射极限的光聚合线宽和细胞手术分辨率；在此基础上，研究了组织工程细胞支架快速制造和细胞的可复性核损伤。　　 提出了飞秒激光对嗅鞘细胞活性控制和钙波诱导的新方法，可以实现对细胞活性的定量控制。首先，研究了各种激光参数对细胞突起手术效果的影响；然后采用合适的激光参数研究了不同的手术条件对损伤后细胞活性的影响，发现突起直径的差别对细胞活性的影响至关重要，当突起直径小于2.0μm时，95％以上的损伤细胞都可以在3h内恢复其活性；最后在保持细胞活性的条件下对细胞功能进行了探索，实现了细胞内钙波的无条件诱导。　　 本课题提出了采用飞秒激光冲击波对细胞活性进行控制和钙波诱导的新方法。以海拉细胞为研究对象，通过改变激光焦点和细胞之间的相对位置、激光脉冲能量来调节冲击波对细胞的损伤，实现了对细胞损伤程度的精确控制；同时，找到了冲击波诱导钙波产生的阈值条件。因此，通过协调细胞的损伤程度和钙波的形成阈值，可以通过调节激光脉冲能量和作用距离精确的控制细胞的活性和功能。　　 从实验上验证了飞秒激光非线性微手术微操纵实验系统的飞秒激光光镊能力。采用高重复率的飞秒激光作为光源，采用高数值孔径的显微物镜实现对介质的三维操纵，以两种细胞（人血红细胞和酵母细胞）为研究对象，实现了对细胞的力学行为控制。由于红细胞属于不规则形体，飞秒激光对其操纵的时候存在两种效果：一是基于势能最低原理的边缘稳定捕获，二是基于不均匀梯度力和反射力的不可逆翻转。这两种状态之间的转变依赖于飞秒激光的平均功率，找到了状态转换之间的阈值。对于规则形体酵母细胞而言，实现了对其稳定的二维和三维捕获和输运，测试了不同飞秒激光功率下酵母细胞的逃逸速度。