人间充质干细胞具有分化及自我增殖的能力,已成为当今生物学研究的热点。对干细胞分化过程的研究不仅可以帮助我们了解人体各组织器官发育形成过程,更可为今后发展再生医学以及多种疾病治疗提供有效方案。然而至今,我们对干细胞分化过程中命运决定,干细胞干性获得及维持等重要事件依然知之甚少。其中一个重要因素是分析干细胞发育过程的手段相对较少,造成鉴定干细胞分化过程的标记较为单一。因此,除了发展以基因表达产物为主的生化鉴定手段以外,开发新的物理生物学标记有助于我们得到干细胞发育过程中常规生化手段难以得到的信息,为我们鉴定干细胞分化状态及深入了解干细胞分化机理提供帮助。我们利用基于同步辐射光源的红外技术和基于PF-QNM模式原子力显微镜对处于分化早期的干细胞进行了分析,并建立了表征干细胞红外表型和表征干细胞力学表型的方法。在建立新物理生物学标记过程中,我们利用基于同步辐射红外技术分析了人间充质干细胞向脂肪细胞分化全过程的红外光谱特征,并重点对分化前期的干细胞红外光谱进行分析,开发了利用PCA-LDA载荷曲线动态追踪的干细胞分化早期生物大分子变化的方法。并发现在干细胞分化过程中由脂类组成的细胞组分如细胞质膜等也积极响应了诱导刺激而发生变化,为我们分析干细胞命运决定提供新思路。同时,我们利用基于PF-QNM模式原子力显微镜对脐带来源间充质干细胞进行分析,建立了基于纳米力谱的方法表征了干细胞力学表型。我们可以通过分析纳米力谱来区分细胞的异质性。接着,我们使用新建立的生物学标记分析了细胞外环境中离子和界面几何形貌对干细胞命运调控过程。我们利用已建立的标记分析了锂离子调控干细胞分化潜能的过程。锂离子早期作为治疗躁郁症的特效药而被广泛使用。而锂离子对造血过程的调控提示我们锂离子可以调控干细胞分化。然而其机理尚未完全清楚。我们的研究结果发现氯化锂对人间充质干细胞分化调控具有剂量效应,并且在这个过程中干细胞的力学性质也发生了变化。进一步分析发现我们开发的基于纳米力谱的力学表型可以有效鉴定出干细胞早期分化状态的微小变化。而利用基于同步辐射红外分析技术分析不同浓度氯化锂处理的干细胞红外表型发现,氯化锂对干细胞脂类有显著调控作用。我们还分析了干细胞对衬底表面几何形貌响应过程。已有研究表明,细胞外基质中物理信号可以调节干细胞行为,诱导干细胞分化。而其中干细胞应答机制尚未阐述清楚。在本工作中,我们在硅衬底表面加工了矩形排列的纳米孔状结构,研究纳米孔结构对干细胞及干细胞质膜的影响。实验结果表明,孔状纳米可以调控干细胞命运。在调控过程中,质膜可以响应衬底纳米结构刺激,并且这种响应对干细胞识别衬底物理刺激至关重要。