细胞是生命的基本单位,生物体内的细胞时刻处于复杂的力学环境中,细胞具有独特的结构形式和力学特性,可以抵抗内部和外界环境的刺激。研究表明,细胞的结构和力学特性的变化,不仅可以导致细胞形态的改变,而且还可以使细胞的生理功能发生异常。虽然目前关于细胞内机械力与生物信号之间的传导机制尚不明确,但是作为首要任务,研究细胞在机械力作用下的力学响应同样具有重要意义。因此,弄清细胞的结构,建立和完善细胞力学模型成为生物力学界的研究热点。　　本文基于柔性建筑结构设计中的找形分析,结合随机模拟方法,发展了一种新型的细胞骨架力学模型——找形模型。找形模型模拟了微丝和交联蛋白结合形成微丝网络的结构形态和受力特征,模型中的微丝和交联蛋白分别用有限元方法中的梁单元和索单元模拟,它们的含量、几何尺寸和力学属性等参数都取自细胞试验数据,保证了模型输入数据的真实性。模型中的单元通过随机模拟方法生成,利用找形分析在模型中的交联蛋白上施加预应力,经过多次的平衡迭代,得到一个自平衡的结构体系,即找形模型的最终形状。细胞的找形模型不仅在外观上与真实的细胞骨架结构相似,而且在应力-应变关系上模拟了细胞骨架的力学特性,还可以解释很多生物现象。本文利用找形模型做了如下几方面的研究:　　(1)利用找形模型预测了细胞的弹性模量。通过对多组细胞找形模型的拉伸,统计计算结果得到平均弹性模量为103Pa数量级,这个数值与大多数的细胞试验结果相一致。　　(2)利用找形模型研究了细胞中微丝和交联蛋白的相对密度、平均长度对细胞刚度的影响。对多组模型的统计结果表明,细胞的弹性模量随微丝和交联蛋白相对密度的增加而增大,且近似呈线性关系。细胞的弹性模量与微丝平均长度成正比,当微丝长度增大到一定值后,由于受到模型尺寸的限制,细胞弹性模量会趋近于一个固定值。　　(3)在找形模型中加入微丝束,研究了同时含有微丝网络和微丝束的细胞骨架力学特性。结果表明,与拉力方向平行的微丝束可以显著地增大细胞刚度,提高细胞抵抗外力的能力。当模型中微丝含量固定时,随着微丝束相对密度的增加,细胞刚度会有一个最大值。相比之下,杂乱无章的微丝束对细胞刚度的增加没有作用。　　(4)在平面找形模型的基础上,建立了细胞骨架的三维找形模型,利用三维找形模型重新研究了细胞中微丝相对密度、平均长度对细胞刚度的影响,同时也考察了三维模型下微丝束对细胞刚度的作用。三维模型的分析结果与二维模型基本上相一致,说明找形模型具有模拟三维细胞骨架结构的能力。只是三维模型计算出的细胞弹性模量要小一些,在算法和模型上还需要做相应的改进。