自1986年研制成功这种新型显微镜以来，原子力显微镜已在材料学、分子生物学、细胞生物学等领域获得广泛应用。原子力显微镜AFM的工作原理是：将一个微小作用力很敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖，同距离有关的针尖一样品间相互作用力(吸引力或排斥力)会引起微悬臂的形变，形变量的大小可作为样品一针尖相互作用力的直接量度，由光学检测法或隧道电流检测法获得。当进行扫描时，反射到检测器的光电信号作为反馈信息使系统保持样品和针尖相互作用力或距离的恒定，为此，负载样品的压电扫描器要随样品的形态变化不断调整Z轴方向的位置，此时记录每一点上高度的变化，通过计算机系统的数据处理，即获得样品表面三维的形貌信息。
原子力显微镜在观察细胞表面形态的同时可测得单个细胞的局域力学信息，如细胞的弹性、黏度等不仅可研究静态的细胞结构，还可动态地观察细胞随时问的生物学特性改变，同时具有纳米级的空间分辨率和牛顿级的力学灵敏度，在细胞生物学方面发挥着无可替代的作用。利用原子力显微镜AFM测得的力一距离曲线反映了针尖与样品间定量的作用力。采用金刚石探针，配备专用的软件，原子力显微镜能够测量微区的纳米压痕，据此绘制的力一位移曲线，可用于弹性模量的定量测量。
细胞的力学性质主要取决于细胞骨架和细胞膜的黏弹性，当外界条件改变时，细胞膜黏弹性的改变比细胞形态的改变更为明显。原子力显微镜AFM常用Hertz模型测量多种细胞的杨氏弹性模量。Engler等测量了生物样品和高分子薄膜基质的弹性模量，平滑肌细胞的培养结果显示：与天然动脉血管中间层刚性近似的PA基质能提高SMC细胞的铺展面积，聚赖氨酸／透明质酸多层膜也观察到相同的结果，说明细胞的吸附铺展与材料的刚性有相关性。
由于原子力显微镜的分辨率高、获取信息种类多以及制样简便、可在生理条件下操作等优势，已经成为组织工程研究中不可或缺的工具，但是对于纷繁复杂的生命系统，单一设备毕竟功能有限，要与其它设备或技术手段如近场显微镜、电子显微镜、激光共聚焦显微镜、荧光显微技术、X一射线衍射、抗体标记、表面干涉等有机结合，原子力显微镜AFM才能更有效地发挥其作用。随着原子力显微镜的发展，如针尖技术的改进，分辨率的提高，以及与其它设备的结合，在组织工程领域将发挥更大的作用。