細(xì)胞力學(xué)主要研究活細(xì)胞的行為、力學(xué)性能以及它們與細(xì)胞功能的關(guān)系。組成細(xì)胞的結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架、細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)，它們的力學(xué)和動(dòng)態(tài)行為以及如何相互作用從而影響細(xì)胞的整體性質(zhì)是細(xì)胞力學(xué)研究的重點(diǎn)。研究表明，細(xì)胞對(duì)于外界刺激的力學(xué)響應(yīng)對(duì)于細(xì)胞的行為有重要的影響，例如，細(xì)胞的遷移、擴(kuò)增、分化和凋亡等。顆粒技術(shù)的快速發(fā)展使得顆粒成為研究細(xì)胞力學(xué)的理想工具，因?yàn)轭w粒能與細(xì)胞直接接觸，通過(guò)一定的方法可檢測(cè)顆粒是如何改變細(xì)胞硬度和力學(xué)性能的。原子力顯微鏡AFM 在檢測(cè)細(xì)胞力學(xué)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是膠體探針的應(yīng)用使得 AFM 成為目前利用顆粒進(jìn)行細(xì)胞力學(xué)性能測(cè)量尤其是細(xì)胞表面力學(xué)測(cè)量的主要工具。利用膠體探針 AFM，可檢測(cè)細(xì)胞骨架的力學(xué)性能，從而對(duì)肌動(dòng)蛋白在調(diào)節(jié)細(xì)胞的黏彈性及力學(xué)行為上的作用進(jìn)行研究。Watanabe-Nakayama 等用粘有玻璃小球的 AFM 探針，第一次定量檢測(cè)了細(xì)胞對(duì)于循環(huán)拉伸和壓縮的響應(yīng)，結(jié)果表明，由于細(xì)胞黏彈性，細(xì)胞張力開(kāi)始增加然后在 1 min 內(nèi)減少; 超過(guò)幾分鐘后，這種松弛度會(huì)緩慢增加，張力的恢復(fù)在幾次往復(fù)施加力后逐漸消失; 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的肌動(dòng)蛋白被抑制后，張力的恢復(fù)也被抑制，表明這種行為是由肌動(dòng)蛋白驅(qū)動(dòng)的。利用膠體探針，還可比較細(xì)胞不同部分的力學(xué)性能，Babahosseini 等使用了粘有玻璃小球的探針比較了非浸潤(rùn)性人乳腺細(xì)胞( MCF 10A) 和浸潤(rùn)性乳腺癌細(xì)胞( MDA MB 231) 內(nèi)部區(qū)域的生物力學(xué)性能。他們把細(xì)胞從上到下分為三層結(jié)構(gòu): 質(zhì)膜和肌動(dòng)蛋白層( 上層) 、胞質(zhì)和細(xì)胞核層( 中層) 以及細(xì)胞核和整合素層( 底 層) ，利用廣義麥克斯韋模型比較了 2 種細(xì)胞不同層的硬度，結(jié)果表明，無(wú)論哪種細(xì)胞越往下其硬度和黏性越大，并且發(fā)現(xiàn)非浸潤(rùn)性細(xì)胞的硬度和黏性要比浸潤(rùn)性細(xì)胞大。現(xiàn)在的 AFM 還可以通過(guò)聯(lián)合其他先進(jìn)技術(shù)( 如熒光成像技術(shù)等) 來(lái)拓展它的應(yīng)用，這種集成多種功能的 AFM 可以實(shí)時(shí)檢測(cè)力作用時(shí)細(xì)胞的反應(yīng)。例如 Shi 等將 AFM 與熒光顯微鏡聯(lián)用，對(duì)牙周韌帶細(xì)胞進(jìn)行了形貌微結(jié)構(gòu)表征，并利用膠體探針對(duì)細(xì)胞施加一定的力，通過(guò)熒光顯微鏡實(shí)時(shí)觀察細(xì)胞受到力后其結(jié)構(gòu)的變化與反應(yīng)，最后發(fā)現(xiàn)該細(xì)胞具有很強(qiáng)的力纖維和楊氏模量，所以它能很好地抵消外力的影響。細(xì)胞的黏彈性和力學(xué)性能也可作為疾病診斷的依據(jù)，比如癌癥、關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥和心血管病等。Cross 等提取了肺、胰腺和乳腺癌細(xì)胞并用 AFM 對(duì)它們的硬度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞比良性的細(xì)胞都要軟，說(shuō)明力學(xué)性能可以作為區(qū)別癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的一個(gè)判斷依據(jù)。Nguyen 等通過(guò)使用微米 級(jí) 的 球 形 探 針，表征了良性人乳腺細(xì)胞MCF 10A 和人乳腺癌上皮細(xì)胞( MCF 7) 的黏彈性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者有明顯的區(qū)別，MCF 7 細(xì)胞比MCF 10A 細(xì)胞更軟，經(jīng)過(guò)細(xì)胞松弛素處理的MCF 10A，由于細(xì)胞骨架排列被擾亂其松弛度會(huì)增加。這與 Li 等對(duì)細(xì)胞 MCF 7 和 MCF 10A 的研究結(jié)果一致。

膠體探針 AFM 在細(xì)胞力學(xué)領(lǐng)域取得了許多突破性的進(jìn)展，通過(guò) AFM 可以檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞和細(xì)胞膜等細(xì)胞組分的力學(xué)性能，得到包括細(xì)胞膜楊氏模量、細(xì)胞骨架和細(xì)胞核黏彈性等特征參數(shù)。利用AFM 研究力對(duì)細(xì)胞性質(zhì)和功能的影響，是揭示組織、器官生物力學(xué)特性的基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步研究細(xì)胞內(nèi)生物大分子力學(xué)性能的出發(fā)點(diǎn)。同時(shí)，有助于深入研究細(xì)胞的生理、病理行為，為疾病的快速診斷和鑒別提供了一種有效的技術(shù)手段。AFM 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已成為表征和研究活細(xì)胞的主要工具之一，特別是在力學(xué)性能測(cè)量方面，憑借其獨(dú)特的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，AFM 成為了檢測(cè)顆粒與細(xì)胞相互作用的重要工具。但 AFM 也有待改善的地方: 首先，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，現(xiàn)在每次實(shí)驗(yàn)是通過(guò)一根探針對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，為了提高效率，未來(lái)可以開(kāi)發(fā)多探針并行系統(tǒng)。其次，目前 AFM 主要對(duì)顆粒與細(xì)胞膜表面的相互作用進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于細(xì)胞內(nèi)部的檢測(cè)還存在困難，這有望通過(guò)制造更加細(xì)長(zhǎng)的探針比如納米針來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種探針可以在減少損傷細(xì)胞的情況下刺入細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行操作，從而對(duì)細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)等進(jìn)行原位力學(xué)性質(zhì)測(cè)量。為了更好地研究顆粒與細(xì)胞之間的相互作用，研究者們利用光鑷、磁鑷等技術(shù)直接通過(guò)激光或磁場(chǎng)操縱顆粒進(jìn)行相互作用的研究，兩種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)多個(gè)顆粒并可在細(xì)胞內(nèi)操縱顆粒，彌補(bǔ)了 AFM 的不足，三種技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，在研究時(shí)可以相互補(bǔ)充。

目前，將 AFM 與其他的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用，比如熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡以及單分子熒光顯微鏡等已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)，通過(guò)聯(lián)用可以在獲得力學(xué)性能數(shù)據(jù)的同時(shí)獲得熒光圖像等信息，直接觀察到力學(xué)性能對(duì)細(xì)胞行為及功能的影響等，當(dāng)然現(xiàn)在的聯(lián)用技術(shù)還不太完善，未來(lái)還需要進(jìn)行更多的探索工作。