癌症作为当今时代危害人类健康的头号杀手,在医学界备受关注。目前,对癌症的早期诊断和治疗都采用组织切片和放疗化疗等宏观方法,这些方法具有局限性和不确定性。本研究从纳米量级上对癌细胞进行深入研究,以期能从分子尺度上揭示癌细胞的病变机理和作用机制,为癌症的早期诊断和治疗提供新途径。本文基于原子力显微镜纳米原位测试系统等先进的测试设备,从细胞微观形貌和机械物理力学特性两方面对癌细胞的各种微观特性进行分析和研究。以细胞图像的平均粗糙度作为评定图像清晰度的指标,利用二次回归正交旋转实验,建立了细胞表面微观形貌预测模型,系统地分析了扫描参数对细胞成像质量的影响,得到了最佳的细胞成像条件,提出了在接近生理条件下观察活细胞的实验方法,为细胞微观成像研究领域提供了扫描参数的参考数据。设计并制造了温度控制仪,结合原子力显微镜对生理状态下的活细胞进行压痕实验,得到了癌细胞表面弹性特性和粘附特性,并对癌细胞与正常细胞弹性特性和粘附特性进行了对比分析。根据细胞弹性模量和粘附力的大小可以进行癌症诊断,为癌症的诊断提供了新途径。采用AFM纳米加工系统对癌细胞表面进行微切削加工和压痕实验,得到了细胞内部分层力学特性。对癌细胞压痕实验过程和微切削加工过程进行有限元仿真,将仿真所得的载荷-压深曲线与纳米原位仪的测量结果进行了对比分析,结果表明:理论计算与实验结果具有较好的一致性,从而验证了有限元分析结果的正确性。利用原子力显微镜结合SR830锁相放大器自行搭建了细胞动态性能测试系统,测量了细胞在不同外部噪声频率作用下的反馈信号,通过计算得到肺腺癌和肺鳞癌细胞的动态存储模量、损失模量、损失切量等动态流变特性。研究细胞的动态流变特性可以从微观尺度上操作、控制癌细胞,为癌症的治疗奠定基础。推导出细胞微切削加工时针尖与细胞之间最大接触压力的计算公式,并对细胞进行了逐层微切削加工,得到细胞内部各层弹性模量分布状况。结果表明,细胞每加工一层其表面的弹性模量分布是不同的,为细胞内部的细胞骨架和细胞器共同作用的结果。