细胞是有机体生命活动的基本单位。细胞的结构、形态、功能、生长发育等都与细胞的力学特性有关。细胞结构对力学刺激的响应规律是细胞发挥其生理功能的主要方面,是细胞进行一切生命活动的基础。细胞的生物力学特性在调控细胞生理、病理功能方面起着至关重要的作用,如细胞分裂、铺展、增值等都与细胞的生物力学特性紧密相关。本文基于构成细胞的主要结构,采用理论计算分析与仿真建模相结合的方法综合研究了细胞主要结构在细胞外载荷作用下的力学响应。细胞结构主要是由细胞质、细胞膜、细胞核、细胞骨架(cytoskeleton,CSK)和细胞核骨架(nucleoskeleton,NSK)五大部分组成,主要工作及研究结果如下:(1)基于张拉整体结构法研究了细胞不同铺展程度对CSK整体刚度的影响。根据细胞的铺展程度不同,应用理论计算法给出了不同铺展程度下CSK模型(张拉整体结构模型)的顶点坐标及其质心位置;按照理论计算值构建了6种不同铺展程度下包含中间纤维(Intermediate filaments,IFs)和不含IFs的两类张拉整体结构模型。应用这两类张拉整体结构模型分别模拟了细胞不同铺展程度下CSK对基底的反作用力。结果表明CSK的整体刚度与CSK的铺展程度有关,铺展程度越大,对基底的反作用力就越大。与不含IFs的张拉整体结构模型相比,发现在大变形情况下含IFs的张拉整体结构模型对基底的反作用力显著增加,这就表明IFs在大变形下能够显著提高CSK的整体刚度。该研究为全面、科学认识细胞不同铺展程度下,对CSK整体刚度的影响以及为后续研究提供依据。(2)应用理论计算法研究了细胞在重力作用下发生形变时的细胞膜张力的变化规律。应用不同形状的囊泡模型来分别表示悬浮细胞和贴壁细胞。假设未变形的囊泡模型是球状,用于描述悬浮细胞;变形后的囊泡模型是接触面积为圆的类椭球缺状、类球缺状和球缺状,用于表示贴壁细胞。根据所建的数值模型,建立了变形后的囊泡模型在径向和垂向的平衡微分方程以及相应的边界条件。应用半逆解法和高斯拟合法分别求出细胞膜张力的表达式。研究结果表明重力对细胞膜张力有一定的影响,当考虑重力对细胞的影响时,细胞膜张力不再是一个常数,而是细胞高度的函数。该研究为深入理解囊泡模型在重力作用下的铺展提供了新思路。(3)定量研究了Hela细胞在原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)下的不同作用位点的表面弹性模量。应用AFM观测并记录了细胞的微结构、表面形貌以及相应的几何尺寸,测量了每个细胞4个作用位点的力-位移曲线。通过应用Sneddon模型拟合得到Hela细胞在不同作用位点处的表面弹性模量。实验结果表明细胞的表面弹性模量有明显的位置差异性,细胞边缘受基底效应的影响较大。该研究为探索单细胞的表面弹性模量以及后续研究提供了参考。(4)基于AFM实验数据所建的单细胞有限元模型,定量研究了细胞主要组成结构对细胞整体刚度的影响。单细胞有限元模型是由细胞膜、细胞质、细胞核和CSK组成的。有限元模拟时,根据AFM实验选择了2个作用点,即细胞中心(作用点1)和最靠近基底的作用点(作用点4)来验证模型的合理性。在模型合理性验证后,选择细胞中心位置(作用点1)测量单细胞模型在受压时的整体刚度以及在小变形条件下IFs对细胞整体刚度的影响。应用参数分析法确定了影响细胞整体刚度的主要因素。模拟结果表明在小变形条件下,IFs对细胞的整体刚度几乎无影响,但当CSK中包含IFs时,IFs能够将作用在细胞膜上的外力从细胞膜直接传递到细胞核。参数分析表明CSK和连续体(细胞膜,细胞质和细胞核)的材料属性都能影响细胞整体刚度,但CSK是影响细胞整体刚度的主要因素。该研究为测定单细胞的力学特性提供了新思路,进而促进了单细胞生物力学性能的研究。(5)计算了可折叠微板上的细胞牵引力(Cell traction forces,CTFs)。通过假设贴壁细胞呈球缺状,且细胞内微丝、微丝张力呈均匀分布。计算时,将可折叠微板简化成纯弯曲梁,根据折叠角和弯矩的关系表达式给出CTFs与折叠角的关系表达式。将本文所得的CTFs与折叠角关系式与微柱力传感器阵列技术测定的关系式对比来验证公式合理性。该研究为测量三维(three dimension,3D)的CTFs提供了新方法。(6)基于张拉整体结构法建立了cell origami的有限元模型,定性分析了CSK和NSK对微板折叠角的影响。本文共建立了四类张拉整体结构模型(12-节点的CSK、24-节点的CSK以及12-节点的CSK-NSK和24-节点的CSK-NSK)来模拟cell origami,研究了不同复杂程度的CSK和NSK对微板折叠角的影响。在cell origami的有限元模型中,假设可折叠微板是含有柔性铰链的线弹性体,并用表示黏着斑的弹簧单元将微板与张拉整体结构模型相连接。模拟结果表明张拉整体结构模型的复杂性可降低细胞整体刚度,进而导致微板折叠角减小;而模型中增加NSK能提高细胞整体刚度,进而引起微板折叠角增加。该研究不仅能直观地模拟cell origami,而且能为生物技术的应用及细胞3D结构的分析和基于细胞的医疗微设备的组装提供新思路。