干细胞是生物体内多种功能性细胞的祖细胞,因其巨大的分化潜能而受到人们的广泛关注,且被用于体外细胞的定向分化研究。而力学作用作为影响干细胞分化的重要因素之一,近十年来,已被科学研究人员进行深入探索,这些力学作用以不同的加载方式作用于细胞上,如对细胞培养膜的轴向拉伸、改变细胞生长基底的弹性模量、施加流体剪切力、改变生长支架的孔隙率等。本文以鼠骨髓间充质干细胞为模型,利用自行设计开发的薄膜加载装置,利用球形或针形压头来对薄膜施加持续的外力,以此来改变薄膜的表观弹性模量,使生长于薄膜不同位置上的干细胞承受应力应变梯度场,从而模拟生理条件下干细胞所受的外载荷。有限元仿真表明薄膜被顶起后呈现拉伸与弯曲的混合应变状态,分析发现膜在顶端处表观弹性模量最大,向边缘处逐渐变软。实验从4周龄雄性SD(Sprague Dawley)大鼠腿骨中提取原代骨髓间充质干细胞并进行传代与加载,取培养的第3代干细胞进行加载实验。在加载时,将事先涂有Ⅰ型胶原的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜顶起5～15mm。并制作不同弹性模量的PDMS培养基底(2000k Pa、350 k Pa、50 k Pa、10 k Pa)作为实验组弹性模量的对照,实验每次连续加载3天,加载完成后使用Hoechst 33342和Rhodamine-phalloidin进行细胞核与细胞骨架的染色,观察细胞生长趋向性与细胞形态。细胞的生长基底对细胞的正常生命活动具有非常重要的作用,而这些因素又与细胞传代密度、换液时培养液的温度、培养液的质量与传代天数等因素有关。在不同弹性模量的基底上种植细胞后发现,细胞体积和铺展面积随着弹性模量的减小而减小;基底涂层不同对细胞的黏附也具有重要的影响。而受到静态拉伸的细胞则在拉伸强度更强的基底上生长更加良好,并且更易进行正常的生命活动。在加载装置上,细胞生长显现趋向性分布,当薄膜被针形压头顶起时,细胞形态与细胞聚集情况出现很大差异:在膜中心区域,细胞生长数量最多,并且细胞铺展均匀,向四周伸出多条伪足;随着细胞向边缘生长,细胞逐渐趋向于细长状,细胞生长较差且数量骤减,在培养膜边缘,由于重力影响会有部分细胞下沉,使得细胞数量增多。细胞对外界不同刺激力学的响应表现出巨大的差异性,所以干细胞分化的相关实验必须考虑其所处的力学环境。通过研究干细胞在不同应力应变场中的分化生长过程,将对干细胞分化进行精确调控,器官和组织的修复起到重要作用。