Die selbständige, gerichtete Bewegung von biologischen Zellen ist eine der grundlegendsten und komplexesten Erscheinungen der Natur. In höher entwickelten Lebewesen spielt die Zellbewegung eine wichtige Rolle, z.B. bei der Entwicklung des Organismus, bei der Funktion des Immunsystems aber auch bei der Metastase von Krebszellen. Die physikalischen Prozesse die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, sind im Fokus dieser Arbeit. Um besser zu verstehen welche Prozesse im Einzelnen und in welcher Kombination den Zellen erlauben sich gerichtet fortzubewegen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein representatives Modellsystem von motilen Zellen untersucht. Fischkeratozyten bewegen sich in vitro regelmäßig und gleichförmig, relativ schnell über die Substratfläche, und stellen aus physikalischer Sicht eine optimierte, sich selbständig bewegende Polymermaschine dar. Um Kräfte in der Bewegungsebene der Zellen zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neuartige, auf dem Rasterkraftmikroskop (RKM) basierende Methode entwickelt. Zusätzlich wurden hochaufgelöste, mit dem Phasenkontrastmikroskop aufgenommene Bilderserien analysiert und die Geschwindigkeitsverteilung in der Zelle durch Korrelationsalgorithmen bestimmt. Die Struktur des Polymernetzwerkes wurde in mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Zellen untersucht, und elastische Eigenschaften wurden mit rheologischen RKM-Messungen bestimmt. Traktionskraftmessungen an elastischen Substraten runden das umfassende Bild ab. Durch Veränderung der molekularen Strukturen mit verschiedenen Chemikalien, die unterschiedliche Prozesse im Gesamtsystem stören, konnte nun ein Phasenraum der Kraftgenerierungsprozesse untersucht und unterschiedliche Effekte verschiedenen Prozessen eindeutig zugeordnet werden. Es wurde somit erstmalig experimentell bewiesen, dass die Polymerisation von Aktin die treibende Kraft am vorderen Rand der Zelle ist. Darüber hinaus wurde das Verhalten des Kraftaufbaus mit einem Model beschrieben, das Aufschluss über die Funktionsweise der darunterliegenden Aktinpolymerstrukturens gibt. Desweiteren wurde in der Mitte der Zelle, zwischen vorderem Rand und Zellkörper, erstmalig eine rückwärtsgerichtete Kraft gemessen, die wichtig ist um ein Kräftegleichgewicht zu erstellen. Ein Model das auf entropischen Kräften im Polymersystem basiert, beschreibt diese kontraktilen Kräfte und ordnet sie der Depolymerisation von Aktin zu. Die Bewegung des Zellkörpers wiederum basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Mechanismen, sowie der Kontraktion von Aktin und Aktinbündeln durch molekulare Motoren. Eine umfassendes Charakterisierung über verschiedene lokale Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen konnte somit erstellt werden, und damit das Verständnis der Kraftgenerierung zur Zellbewegung vertieft.

Die selbständige, gerichtete Bewegung von biologischen Zellen ist eine der grundlegendsten und komplexesten Erscheinungen der Natur. In höher entwickelten Lebewesen spielt die Zellbewegung eine wichtige Rolle, z.B. bei der Entwicklung des Organismus, bei der Funktion des Immunsystems aber auch bei der Metastase von Krebszellen. Die physikalischen Prozesse die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, sind im Fokus dieser Arbeit. Um besser zu verstehen welche Prozesse im Einzelnen und in welcher Kombination den Zellen erlauben sich gerichtet fortzubewegen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein representatives Modellsystem von motilen Zellen untersucht. Fischkeratozyten bewegen sich in vitro regelmäßig und gleichförmig, relativ schnell über die Substratfläche, und stellen aus physikalischer Sicht eine optimierte, sich selbständig bewegende Polymermaschine dar. Um Kräfte in der Bewegungsebene der Zellen zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neuartige, auf dem Rasterkraftmikroskop (RKM) basierende Methode entwickelt. Zusätzlich wurden hochaufgelöste, mit dem Phasenkontrastmikroskop aufgenommene Bilderserien analysiert und die Geschwindigkeitsverteilung in der Zelle durch Korrelationsalgorithmen bestimmt. Die Struktur des Polymernetzwerkes wurde in mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Zellen untersucht, und elastische Eigenschaften wurden mit rheologischen RKM-Messungen bestimmt. Traktionskraftmessungen an elastischen Substraten runden das umfassende Bild ab. Durch Veränderung der molekularen Strukturen mit verschiedenen Chemikalien, die unterschiedliche Prozesse im Gesamtsystem stören, konnte nun ein Phasenraum der Kraftgenerierungsprozesse untersucht und unterschiedliche Effekte verschiedenen Prozessen eindeutig zugeordnet werden. Es wurde somit erstmalig experimentell bewiesen, dass die Polymerisation von Aktin die treibende Kraft am vorderen Rand der Zelle ist. Darüber hinaus wurde das Verhalten des Kraftaufbaus mit einem Model beschrieben, das Aufschluss über die Funktionsweise der darunterliegenden Aktinpolymerstrukturens gibt. Desweiteren wurde in der Mitte der Zelle, zwischen vorderem Rand und Zellkörper, erstmalig eine rückwärtsgerichtete Kraft gemessen, die wichtig ist um ein Kräftegleichgewicht zu erstellen. Ein Model das auf entropischen Kräften im Polymersystem basiert, beschreibt diese kontraktilen Kräfte und ordnet sie der Depolymerisation von Aktin zu. Die Bewegung des Zellkörpers wiederum basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Mechanismen, sowie der Kontraktion von Aktin und Aktinbündeln durch molekulare Motoren. Eine umfassendes Charakterisierung über verschiedene lokale Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen konnte somit erstellt werden, und damit das Verständnis der Kraftgenerierung zur Zellbewegung vertieft.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Verbesserung von Rastersondenmikroskopen durch den Anschluß eines Signalpfades für hochfrequente Wechselfelder (ca. 1 GHz). Dabei entstanden sowohl ein Hochfrequenzrastertunnelmikroskop (HF-STM), als auch ein Hochfrequenzkapazitätsmikroskop (HF-SCM). Das gemeinsame Funktionsprinzip dieser Mikroskope besteht in der Nutzung der Nahfeldwechselwirkungszone als Mischer für die hochfrequenten Signale. Dabei entstehen aus den Eingangssignalen neue Signale anderer Frequenz, die verstärkt und detektiert werden. Beim HF-STM werden diese Signale durch die Nichtlinearität der statischen Strom-Spannungskennlinie des Tunnelsüberganges hervorgerufen. Hieraus ergeben sich zwei neue Nutzungsmöglichkeiten im Vergleich zum herkömmlichen STM: Erstens lassen sich durch Vergleich mit den gleichzeitig aufgenommenen topographischen Bildern elektronische von topographischen Gegebenheiten unterscheiden. Zweitens ist ein Betrieb des HF-STM's auf leitenden Oberflächen möglich, zu denen jedoch keine leitende Verbindung besteht, wie beispielsweise Metallinseln auf einem Nichtleiter-geträgerten Katalysator. Im Falle des HF-SCMs konnte gezeigt werden, daß die detektierten Signale durch die Nichtlinearität der Kapazitäts-Spannungskennlinie des von Spitze und Substrat gebildeten MOS-Kondensators entstehen. Das Mikroskop läßt sich verwenden, um Schwankungen der Oxidschichtdicke oder laterale Dotierprofile in Halbleiterstrukturen abzubilden. Gegenüber dem herkömmlichen SCM bietet die Methode den Vorteil der freien Wahl der Arbeitsfrequenz, wodurch zusätzlich frequenzabhängige Messungen möglich werden. / This work concerns the developement and improvement of scanning probe microscopes by connecting a high frequency signal path (approx. 1 GHz) to the tip of the microscope. This allowed the construction of both, a high frequency scanning tunneling microscope (HF-STM) as well as a high frequency scanning capacity microscope (HF-SCM). The common priciple of the microscopes is the use of the nearfield zone as a mixing device for the high frequency signals. From the input signals new signals at other frequencies are generated, amplified and detected. In case of the HF-STM these signals are caused by the nonlinear current-voltage characteristics of the tunneling junction. The principle permits two new applications: First the comparison between conventional STM-pictures with the newly generated pictures of the same area allows to differantiate between topographic and electronic features of the surface. Second, the new method allows the imaging of conducting surfaces, even if there is no direct conducting conection. An example would be the imaging of metal clusters embedded in a nonconducting surface. In case of the HF-SCM it could be demonstrated that the detected signals are caused by the the nonlinear capacity-voltage dependence of the MOS-capacitor, formed by the substrate and the conducting tip. The microscope can be used to image changes of the oxide layer thicknes or lateral doping profiles in semicoductor devices. In comparison with the conventional SCM the new device is not restricted to one frequency and can therefore be used to carry out frequency-dependent measurements.