由于细胞具有对其周围机械环境做出反应的能力,所以细胞的生物学行为可以通过基质的机械特性来引导。而基质的刚度作为最重要的机械特性之一在很大程度上会影响细胞的生物学行为,例如:铺展、形态、迁移、增殖和分化。并且绝大多数的细胞生物过程都伴随着周围基质刚度的动态变化,例如生长,发育、衰老、纤维化、癌变以及凋亡等。因此建立刚度动态可调的细胞培养基质以模拟体内动态力学环境来研究这些生物过程是十分必要的。磁纳米复合水凝胶作为一种智能生物材料虽然在组织工程、药物输送和释放以及癌症治疗等生物医学领域已广泛应用,但是通过外界磁场改变其刚度以用于探测细胞对基质硬化的反应的研究还十分有限。因此本文报道了一种全新的磁纳米复合水凝胶应用,将聚丙烯酰胺-四氧化三铁（PAAm-Fe3O4）磁纳米复合水凝胶作为人脐带间充质干细胞的培养基质,通过磁纳米复合水凝胶对外部磁场的响应来改变其刚度,以此构建刚度动态可调的干细胞培养基质,从而研究细胞对基质硬化的反应。首先,本文对制备的四氧化三铁磁性纳米颗粒（Fe3O4 MNPs）的不同性质进行了表征。随后使用流变仪以及原子力显微镜研究了外界磁场对PAAm-Fe3O4磁纳米复合水凝胶刚度的影响,并对施加磁场前后的磁纳米复合水凝胶进行了结构表征,以此获得了水凝胶刚度变化的机制以及孔径和刚度之间的关系。力学性能表征结果表明磁纳米复合水凝胶在外界磁场的作用下,其刚度会随之增强,直到达到磁饱和刚度状态,并一直保持饱和刚度,刚度并不会随着磁场的撤离而消退。结构表征结果显示磁纳米复合水凝胶的刚度会随着其孔径的减小而增强。这是因为经过外界磁场的作用后,磁纳米复合水凝胶中的Fe3O4 MNPs的磁相互作用增强,导致Fe3O4 MNPs相互吸引并倾向于沿磁场方向排列成链状结构,从而挤压磁凝胶的聚合物链,使得聚合物链的排列变得紧密有序,由此减少了聚合物链之间的距离,导致了更小的磁凝胶孔径和更大的刚度。其次,本文计算推导出了影响PAAm-Fe3O4磁纳米复合水凝胶刚度对磁场响应的参数,然后评估了这些参数对其刚度响应的影响,并以此为依据确定最优化参数,从而建立可调刚度范围更广的干细胞培养基质。研究得知:预结构化处理强度对磁纳米复合水凝胶刚度的响应基本没有影响;磁凝胶刚度的响应会随着Fe3O4MNPs粒径的增大而增大;随着Fe3O4MNPs质量分数的增大,磁凝胶刚度的响应会先增大到一个阈值后再减小。因此本文选择不对磁纳米复合水凝胶进行预结构化处理、Fe3O4 MNPs的质量分数为1%、Fe3O4 MNPs的粒径为200 nm作为最优化参数。最优化参数条件下的磁纳米复合水凝胶在外界磁场作用下,其刚度范围大约可以达到0.3-20kPa（与大部分人体组织刚度跨度基本相当）,刚度增长量最大可以达到17kPa以上,刚度增长百分比最大可以达到1500%以上,并且拥有良好的可重复性和生物相容性,证明了这种PAAm-Fe3O4磁纳米复合水凝胶能够成为多种细胞的可变刚度基质。最后,本文将人脐带间充质干细胞培养在最优化参数的PAAm-Fe3O4磁纳米复合水凝胶上,在优化后的外界磁场作用下,对不同条件下的干细胞进行了定量形态学分析,从而探讨了干细胞对动态变化的生物力学环境的反应以及潜在机制。实验结果得知,由于在相应时间点所施加的磁场导致了磁纳米复合水凝胶刚度的增加,干细胞的形态会随着时间的推移而有着显著的扩散,干细胞的形态会从圆形向纺锤形转变,表现出干细胞在相应基质刚度条件下的典型形态;细胞的面积会随之增大;细胞的长宽比（细胞的长对角线与短对角线之比）也会随之增大;细胞的圆环度（细胞面积与以长对角线为直径的圆的面积之比）有着显著地降低。这些干细胞的反应都是归因于磁凝胶的硬化,在干细胞感知到基质刚度的增大后,促进了黏着斑蛋白的募集和与肌动蛋白的附着,以及肌动蛋白自身的组装,从而导致了更强的细胞粘附。这些研究能够为探测细胞对基质硬化的反应提供了动态机械环境,并且为细胞动态生物过程的研究提供有价值的见解。同时这种刚度可调的细胞培养基质可以更好地模拟人体组织的生物力学特性,促进了磁纳米复合水凝胶在研究疾病进展、伤口愈合和组织工程等一系列生物医学领域中的应用。