细胞的力学性质在细胞的迁移、分裂、分化、粘附与纳米颗粒内吞等生理活动中扮演着重要的角色,且一系列的研究结果指出细胞力学性质在病理分析和生物医药工程领域有显著的指标性作用,因此细胞力学性质的精确测量对于认知生命活动的本质和维护人类生命健康有着重要的意义。而基于传统弹性模型对细胞力学性质的测量研究表明,同种细胞的杨氏模量测量值在不同的研究报道中具有较大差异且受到测量者的实验环境和加载方式的影响,从而难以准确的描述细胞的力学性质。近年来,研究人员们开始意识到细胞是具有明显粘弹特性的软材料,并利用多种线性粘弹性模型对细胞力学性质展开了测量和研究。但是,研究者们基于不同线性粘弹性模型所测量出的细胞本构方程仍旧难以统一,往往需要大量的粘弹性参数才可拟合出自己实验中的测量数据,却又不能预测出他人实验中同种细胞不同加载方式下的力学响应;另一方面,研究者们在使用粘弹性理论研究细胞力学性质之前并没有论证细胞非线性粘弹性质的存在与否,因而难以保证其研究结论的客观性。对于现有细胞力学性质测量研究中存在的上述问题,本文基于广义粘弹性理论和接触力学中的相关知识,以原子力显微镜的微压痕实验为主要实验方法,对确定细胞粘弹性本构方程中的力学问题开展了如下工作:(1)首先本文从广义粘弹性材料中普遍存在的蠕变和松弛现象入手,对人体肝正常细胞株L02、肝癌细胞株Hep G2、肝星状细胞株LX2、胃黏膜细胞株GES-1、胃癌细胞株AGS、NCI-N87、SGC7901和HGC-27分别进行了蠕变和松弛加载的单细胞力学性质测量。对于线性粘弹的细胞株,采用刚性压头与线性粘弹性体的接触理论,结合实验测量的响应曲线,给出其蠕变柔量和松弛模量的轨迹线,并计算出了其粘弹本构的参数列表;对于非线性粘弹细胞株,采用刚性压头与广义粘弹性体接触的无量纲定律,结合松弛实验的数据计算出细胞无量纲化的松弛模量,揭示了其部分粘弹特性。该工作为采用蠕变和松弛实验确定细胞线性与非线性粘弹性质的测量,提供了可供参考的实验方案,并对于建立细胞简单直观的粘弹参数体系给出了可执行的建议。(2)根据线性粘弹性理论中蠕变柔量和松弛模量的卷积关系,提出了独立进行蠕变实验和松弛实验,然后以其测量的实验数据验证细胞是否为非线性粘弹材料的方法。并利用该方法对上述八种人体细胞株进行了验证,本文发现人体胃黏膜细胞株GES-1、人体胃癌细胞株SGC7901和HGC-27具有明显的非线性粘弹特性。该工作为细胞力学性质定量测量中所涉及的理论本构模型选取,提供了重要的判断依据。(3)为了避免测量方法造成测得细胞力学性质的差异性,本文还研究了加载方式、针尖几何形状与加载压力对于细胞粘弹性力学性能测量的影响。对于加载方式,本文分别使用不同速度的匀速加载和松弛加载分别测量了人体乳腺癌细胞株MCF-7的粘弹性性质,结合粘弹性理论和接触力学的分析,指出加载方式并不影响所测得细胞粘弹性本构方程的形式。另一方面,通过对比不同几何形状针尖和不同压力下测量的人体肝正常细胞L02的粘弹性本构方程的结果,指出细胞存在多尺度的微纳米力学结构,需要使用接触面积较大的针尖以较小压力测量细胞整体的力学性质才可得到较为稳定的测量结果。该工作为建立细胞粘弹性力学性质具有可比较性的实验方案,提供了重要参考。(4)本文亦以消除测量中基底效应的松弛加载方式,测量了人体肝正常细胞L02不同部位粘弹性力学性质的差异,并指出细胞的粘弹性性质分布与其几何厚度之间存在尺度关系。该工作为解决细胞生物学和病理学分析领域中的力学问题,提供了可借鉴的数据支撑。