细胞-基底作用和细胞间作用对细胞的粘附、迁移、极化以及组织形态的产生等过程起着至关重要的作用。大量实验研究发现细胞-基底作用和细胞间作用可以调控不同细胞力敏感性行为,但是其中定量的调控机理还不清楚。本论文通过理论建模,从不同尺度(包括亚细胞,单细胞,多细胞)研究了细胞外环境(包括基底刚度、厚度、几何形状、曲率)对细胞-基底作用和细胞间作用的影响,并分析了这些影响对相关细胞行为的调控作用。主要研究内容包括:(1)建立了亚细胞尺度的伪足模型。研究了基底刚度和细胞膜张力对细胞伪足回缩过程(黏着斑的成熟和肌动蛋白丝与细胞膜的脱粘)的影响。阐明了伪足感受基底刚度和细胞膜张力的力敏感性机理,并解释了实验中观测到的基底刚度和细胞膜张力对伪足运动以及细胞极化的影响。(2)建立了细胞-基底相互作用模型。该模型考虑了三种形式的基底(半无限大基底、有限厚度基底和微柱基底),阐明了细胞牵引力的分布规律,以及细胞感受基底刚度、基底厚度以及力作用距离的机理。相关结果澄清了争论已久的“细胞感受力还是变形”的学术争论,揭示了细胞形状对细胞-基底间牵引力分布和细胞迁移速率的调控机制。(3)研究了细胞层与基底相互作用对细胞排列和极化的影响。提出并且定量验证了细胞极化和排列的驱动力是细胞层面内的最大剪应力,而且建立了不同基底刚度和不同模式化形状下细胞极化和排列与面内最大剪应力的定量关系。(4)建立了细胞与不同曲率三维表面作用的力学模型,研究了曲率对细胞-基底间作用力(细胞离面牵引力)和细胞间作用力(细胞层面内应力)的影响,并预测了细胞的极化和排列行为,给出了细胞在弯曲表面上的力敏感性机理。综上所述,论文研究结果显示细胞-基底间作用力(细胞牵引力)和细胞间作用力(细胞层面内应力)是调控粘附细胞行为的关键力学信号,与细胞粘附、铺展、极化、排列和迁移行为密切相关。