细胞骨架,是一种动态的、复杂的生物聚合物交联网络,它和相关交联蛋白以及分子马达蛋白共同协作,是维持细胞形态、驱动细胞运动的主要载体。细胞的力学性质主要取决于其内部的细胞骨架,细胞骨架则主要依赖于肌动蛋白和各种交联蛋白组装而成的三维网络结构。肌动蛋白单体可以聚合成具有双螺旋结构的半柔性肌动蛋白纤维,在各种结合蛋白的协助下,肌动蛋白纤维可以交联形成具有特定生物功能的肌动蛋白结构,从而形成不同的细胞骨架网络,比如肌动蛋白皮质层、应力纤维、板状伪足、丝状伪足等。机理化、定量化理解各种细胞骨架网络的变形特征和承载能力,是理解细胞相关生物功能的基础。本文应用蒙特卡洛和朗之万动力学数值模拟方法,主要研究了肌动蛋白网络自组装生长的动力学行为和半柔性纤维随机交联网络的力学响应,具体工作如下:对于自组装生长的肌动蛋白网络,它可以为细胞及细胞内细菌迁移提供驱动力。我们应用蒙特卡洛模拟方法,基于分子水平的肌动蛋白聚合、分支、封端和解聚反应的随机和协作行为,发展了一个模型框架来模拟生长的肌动蛋白网络推动障碍物运动的过程;重点关注了该过程中障碍物的形状和尺寸如何影响自组装网络做功效能和网络内纤维的取向分布。研究结果显示:障碍物的特征尺寸可以改变单位尺寸网络的推动功率,但并不影响网络内纤维取向的分布。相反的,障碍物的几何形状却对纤维取向分布产生了显著影响,在环境阻尼系数很小、适中和很大这三种情况下,形状影响效应各不相同。此外,我们也关注了障碍物高宽比、分支速率和封端速率等主要参数对网络推动功率的定量影响。对于由半柔性纤维随机交联形成的细胞骨架网络,我们基于朗之万动力学方法发展了一个计算模型来研究这类网络的力学响应。该模型中,单根纤维的弯曲与拉伸、交联蛋白的变形、断开与重连以及分子马达蛋白的主动收缩作用均被考虑在内。研究发现:随着对网络所施加的剪切变形的增加,网络展现出显著的应变硬化行为。然而在弱交联情况下,这种硬化效应会被交联蛋白的不断破坏而弱化。有趣的是,分子马达产生的主动收缩力可以显著增强网络在熵主导机制下(通常发生在小应时)的刚度。同时,我们还模拟了网络的流变性质,结果显示:无论有无分子马达作用,在高频且由熵主导的变形机制下,储能模量与损耗模量均表现出与载荷频率成3/4的幂律关系;而在较低频率下,分子马达收缩作用的出现可以增强网络储能模量,损耗模量却几乎不受影响。另外,我们还观测到,在分子马达蛋白的主动收缩作用下,网络内部出现了相当数量的纤维束和团簇,这与相关实验观测相吻合。我们还发现,分子马达主动收缩作用引起的扰动力能增强纳米颗粒在细胞骨架网络内部的扩散。最后,我们也讨论了纤维极性、交联蛋白的刚度和长度、纤维长度以及分子马达的收缩频率等相关因素对网络力学特性和纳米颗粒扩散的影响。本文分别研究了肌动蛋白网络的生长动力学行为、纤维随机交联网络在有无分子马达作用下的力学响应以及网络内部纳米颗粒的输运特性,这些工作为深入理解细胞骨架在各种生命活动中的力学-生物学耦合机制,以及细胞骨架在特定力学激励下的响应提供了基础。