细胞的力学性质是指细胞在力学刺激下所展现出的变形特性,细胞力生物学性质则是指在机械力刺激下细胞的生物学响应特性。在众多研究中,细胞的力学性质和力生物学性质已被视为简单、直接的生物标志,用以指示各类疾病的发生和细胞状态的改变。单细胞通过狭窄微流控通道的变形过程及其诱发的细胞钙响应过程蕴含了丰富的细胞力学性质和细胞力生物学性质等方面的信息。近年来的诸多研究指出,机械力刺激下异常的细胞内钙响应,对特定疾病的发生和发展起重要作用。因此,测量单细胞通过狭窄微流控通道变形过程及其诱发的细胞钙响应过程对于深入揭示疾病机理、发展新的诊断方法具有重要意义。微流控技术可精确操控微纳米量级的液体、结构精细、操作简便,为测量单细胞通过狭窄微流控通道的变形过程与钙响应过程提供了强大工具。然而,已有的测量单细胞在狭窄微流控通道内变形的研究未曾观测单细胞在受机械力刺激时的胞内钙响应过程,因而无法为单细胞分析提供更加丰富的生物力学与力生物学信息。鉴于此,本论文设计并制备一种高通量捕获单细胞的微流控芯片,利用该芯片充分观测单细胞变形和钙响应全过程,测量并分析单细胞力学性质和力生物学性质,进一步通过数学建模定量分析并解释实验现象。本论文的主要研究内容和结果如下:1、基于流体力学原理,将单细胞捕获单元优化并阵列化,设计并制备一种高通量捕获单细胞的芯片。实验验证所设计芯片具有高通量捕获和测量单细胞力学性质的能力。根据实验所测细胞在捕获通道中的形变,放宽了关于细胞表观粘度为固定值的假定,并且基于液滴模型推导出一种包含细胞变形全过程粘度信息的表观粘度计算公式。实验结果表明该公式可有效用于Hela细胞（人宫颈癌细胞）和人脐静脉内皮细胞表观粘度的测量。2、利用此芯片测量了细胞在挤过捕获通道过程中细胞内钙响应。在对Hela细胞和人脐静脉内皮细胞的实验中发现了三种钙响应模式,即短暂型、平台型和双峰型钙响应模式。分别从Hela细胞和人脐静脉内皮细胞双峰型钙响应曲线中提取六个特征参量,统计分析结果表明,其中一个特征参量在Hela细胞和人脐静脉内皮细胞之间具有显著性差异。实验探究了细胞骨架在此钙响应过程中的作用。3、根据单细胞挤过捕获通道过程中形态和受力的变化,发展了单细胞钙响应的动力学模型,定量分析并解释三种钙响应模式。首先,对细胞表面张力应用杨-拉普拉斯方程,结合数值模拟计算出的细胞变形过程中的三维表面积,求解细胞表面张力值;其次,建立了细胞表面张力激活钙离子通道的动力学模型,并与文献中已有的胞内钙离子动态平衡模型有机整合,形成单细胞挤过捕获通道过程的钙响应动力学模型。数值仿真结果表明,本模型模拟出的三种钙响应模式与实验数据较为一致。利用此模型,探究了三种钙响应模式的形成机理并做出理论解释。综上所述,本论文设计并制备了一种高通量捕获单细胞的微流控芯片,利用该芯片充分观测单细胞变形和钙响应全过程,提取出细胞表观粘度和细胞钙响应特征参量,并对细胞钙响应新模式进行了动力学建模和分析。本论文设计的微流控芯片和提出的单细胞力学与力生物学分析方法,为单细胞的高通量体外检测分析提供了新思路。