随着纳米技术的发展，纳米颗粒在生物医疗领域，特别是药物输运方面，展现出很好的应用前景。在生物体内的复杂介质中，将药物输运至病灶位点的过程中会面临很多的生理屏障。其中，颗粒穿过细胞膜进入细胞和颗粒渗透穿过粘液是两个重要的生理屏障。在这一过程中有许多的力学问题。探究影响颗粒跨膜输运和粘液渗透的因素，对于优化设计纳米颗粒，提高纳米颗粒药物输运的效率至关重要。本文通过理论分析、计算模拟与实验研究相结合，探究了颗粒的尺寸、形状、刚度对其与细胞相互作用的影响，以及颗粒形状对其在粘液中扩散的影响。　　采用粗粒化分子动力学模拟，研究了二维石墨烯材料与细胞膜的相互作用，并着重探究了石墨烯厚度（单层或多层）、氧化和表面吸附磷脂分子的影响。结果表明疏水的石墨烯会通过尖锐的角部刺入细胞膜，并平躺在双层膜的疏水中央，而氧化石墨烯根据氧化程度的不同平躺在双层膜的疏水中央或者横跨双层膜两侧。通过计算不同石墨烯材料进入细胞膜的能垒，我们阐明了相应的机理。　　建立了多纳米颗粒以球形囊泡协同进入细胞的理论模型，探究了颗粒尺寸、形状、间距、界面结合能的影响。比较了细胞膜包裹单个纳米颗粒，形成管状结构和球形囊泡结构包裹多个纳米颗粒时的系统能量。证实了我们的模型更适用于碟形/柔软/小尺寸的纳米颗粒。　　通过微流控芯片合成了具有同样组分、尺寸和表面性质，但具有不同含水量和刚度的纳米颗粒，探究了两种颗粒的细胞摄取效率。通过分子模拟再现了两种颗粒的合成过程和内化进入细胞的动力学过程。通过理论分析揭示了细胞偏好摄取刚性颗粒的原因。　　采用多颗粒跟踪技术探究了纳米球和纳米棒颗粒在粘液中的扩散，发现纳米棒可以获得比纳米球更快的扩散速度。发展了粗粒化分子动力学模型用来研究颗粒在粘液中的扩散，证实了同样水动力学尺寸的纳米棒比纳米球扩散更快，并揭示纳米棒的旋转动力学会显著增强颗粒在粘液中的扩散。　　通过将描述球颗粒在水凝胶中扩散的障碍-标度模型扩展至纳米棒颗粒，证实同样水动力学尺寸的纳米棒比纳米球扩散更快，不过同样直径的纳米棒则比纳米球扩散慢。进一步地考虑粘液中离散粘附区的存在，基于平均首通时间理论，得到了纳米棒颗粒在粘液中的扩散速度，解释了同样直径的纳米棒比纳米球扩散更快的原因。