Caractérisation et suivi physico-chimique du collagène lors de l'altération des parchemins par microscopie multiphoton résolue en polarisation

Characterization and physicochemical monitoring of collagen during parchment degradation by polarization-resolved multiphoton microscopy

• Auteur / Autrice : Giulia Galante
• Direction : Marie-Claire Schanne-Klein, Laurianne Robinet, Gaël Latour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/04/2025
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau ; 2001-....) - Laboratoire d'Optique et Biosciences
• Jury : Président / Présidente : Gilles Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Claire Schanne-Klein, Laurianne Robinet, Gaël Latour, Julien Fade, Ina Reiche, Mathieu Thoury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Fade, Ina Reiche
• DOI : 10.70675/960f1e62ze58cz454czb275z4a91dff18f8b

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie de fluorescence

Biodégradation

Parchemin

Collagène

Génération de second harmonique

Mots clés libres

Microscopie multiphoton

Parchemin

Collagène

Génération de second harmonique

Fluorescence

Polarimétrie

Multiphoton microscopy

Parchment

Collagen

Second harmonic generation

Fluorescence

Polarimetry

Résumé

Le parchemin, issu de peaux animales non tannées, grattées et séchées sous tension, est composé à plus de 80% de collagène fibrillaire. Ce matériau est sensible aux changements importants de température et d'humidité. L'évaluation de l'état de dégradation du parchemin est nécessaire pour sa conservation et préalablement à sa restauration.La microscopie multiphoton, technique d'imagerie tridimensionnelle non-invasive et sans contact permet l'accès à des signaux endogènes dans ce matériau : la génération de second harmonique (SHG), spécifique du collagène fibrillaire, et la fluorescence excitée à 2 photon (2PEF), indiquant la présence de gélatine suite à la dénaturation du collagène. La microscopie SHG peut être résolues en polarisation (P-SHG) pour accéder à l'organisation des fibrilles de collagène dans le tissu.Le but de cette thèse est d’étudier si la dégradation peut être mesurée par deux paramètres multiphoton : le ratio des signaux 2PEF et SHG traduisant la proportion de collagène dégradé versus préservé et le paramètre d'anisotropie, traduisant le désordre des fibrilles. Pour cela, divers types de parchemins sont soumis à divers types de vieillissements artificiels en chaleur sèche ou chaleur humide.Nous avons d’abord étudié le comportement du paramètre d'anisotropie avec l'organisation des fibrilles de collagène dans le parchemin pour déterminer les conditions pour que ce paramètre soit une mesure fiable de dégradation.Nous avons ensuite étudié la dégradation du collagène par microscopie P-SHG en fonction de la durée et de la méthode de vieillissement, en se référant à des mesures de température de dénaturation par DSC. Nous avons observé des différences entre parchemins modernes et anciens, mais aussi réussi à discriminer des dégradations en chaleur sèche et chaleur humide. Enfin des mesures sur des fibres de collagène isolées et sur deux cas d'étude sont décrits.

Parchment is made from untanned animal skins, scraped and dried under tension thus is over 80% fibrillar collagen. This material is sensitive to significant changes in temperature and humidity. Assessing the state of degradation of parchment is a prerequisite for its conservation and prior to restoration.Multiphoton microscopy, a non-invasive, non-contact, three-dimensional imaging technique, provides access to endogenous signals in this material: second harmonic generation (SHG), specific for fibrillar collagen, and 2 photon excited fluorescence (2PEF), indicating the presence of gelatin after collagen denaturation. This technique can be combined with polarization-resolved measurements (P-SHG) to give access to the organization of collagen fibrils in the tissue.The aim of this thesis is to investigate whether the degradation can be measured by two multiphoton parameters: the ratio of 2PEF and SHG signals, reflecting the proportion of degraded versus preserved collagen, and the anisotropy parameter, reflecting fibril disorder. To this end, various types of parchment were exposed to different types of artificial aging in dry or moist heat.We first studied the behavior of the anisotropy parameter with the organization of collagen fibrils in parchment to determine the conditions for this parameter to be a reliable measure of degradation.We then studied collagen degradation by P-SHG microscopy as a function of aging duration and method, in relation to shrinkage temperature measurements by DSC. We observed differences between modern and ancient parchments, but also succeeded in discriminating dry heat and moist heat degradation. Finally, measurements on isolated collagen fibers and two case studies are described.