Mesure des propriétés mécaniques de la peau humaine : variations sous l'effet de différents stress.

Measurement of human skin mechanical properties : variations according to the effect of different stresses.

• Auteur / Autrice : Bastien Blanchard
• Direction : Christophe Derail, Corinne Nardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des polymères
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux - IPREM INSTITUT DES SCIENCES ANALYTIQUES ET DE PHYSICO-CHIMIE POUR L'ENVIRONNEMENT ET LES MATERIAUX
• Jury : Président / Présidente : Eric Papon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Derail, Corinne Nardin, Muriel Braccini, Nicolas L'Heureux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Braccini, Nicolas L'Heureux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets du stress

Épiderme

Rhéologie

Mots clés libres

Mécanique

Peau humaine

Instrumentation

Rhéologie

Mechanics

Human skin

Instrumentation

Rheology

Résumé

La peau est l'enveloppe du corps humain assurant le rôle de première barrière protectrice de notre organisme. Les propriétés mécaniques de la peau humaine jouent un rôle clé dans son intégrité car elles confèrent au tissu cutané sa capacité à rester intact. La mesure des propriétés mécaniques de la peau présente ainsi de nombreux intérêts comme celui de disposer d'une méthode d'évaluation objective des effets de produits médicaux ou cosmétiques, ainsi que celui de quantifier les pathologies cutanées qui pourraient les affecter.Dans ce contexte, un instrument spécifique pour évaluer les propriétés mécaniques de la peau humaine ex vivo a été développé. L'objectif de cet appareillage est de caractériser à la fois les propriétés mécaniques conventionnelles tirées d'un essai de traction à vitesse d'étirement constante, et les deux composantes mécaniques, élasticité et dissipation, issues d'un essai de spectrométrie mécanique afin d'éventuellement discriminer chaque phénomène. L'approche proposée est d'établir un lien phénoménologique entre viscoélasticité et structure de la peau.La première partie de cette thèse a été consacrée à un travail instrumental afin que l'appareillage mesure de façon précise et fiable les propriétés mécaniques de tissus déformables. Son développement et son amélioration continue ont finalement permis de caractériser ces propriétés sur des explants de peau humaine ex vivo.Les premiers tests sur les explants de peau humaine ex vivo ont permis de confronter et d'adapter l'instrumentation à l'étude d'échantillons biologiques. Tout d'abord, des études préliminaires portant, entre autres, sur le pré-conditionnement, l'état de pré-tension et l'anisotropie mécanique, ont été réalisées afin de valider la fiabilité de l'instrumentation et des méthodes développées. Une fois l'ensemble de ces notions étudiées, une caractérisation complète des propriétés viscoélastiques des explants a pu être réalisée. Cette caractérisation a également permis d'étudier leur viabilité dans le temps et la notion de vieillissement cutané.Cette instrumentation brevetée, associée à l'utilisation d'explants de peau ex vivo dans des conditions physiologiques pendant plusieurs jours, a finalement permis d'évaluer l'effet de différentes contraintes sur les propriétés mécaniques de la peau. Une étude portant sur les vergetures a révélé que ces zones cutanées endommagées étaient caractérisées par une forte anisotropie mécanique et présentaient des propriétés viscoélastiques dégradées. Par ailleurs, une étude portant sur la congélation des explants, processus utilisé pour conserver les tissus dans le temps, a montré que le fait de congeler la peau semble avoir un léger effet de rigidification sur ses propriétés mécaniques. Enfin, l'effet d'un stress enzymatique sur la peau, imitant un processus naturel de vieillissement accéléré du tissu, a été examiné. Cette dernière étude a démontré la dégradation significative des propriétés mécaniques des explants exposés à des enzymes protéolytiques : collagénase et élastase. Un lien avec des analyses histologiques est proposé.Ces différentes études menées lors de ce travail de thèse ont permis de montrer que cette instrumentation peut contribuer à répondre à des questions scientifiques et techniques et peut aider au développement de produits destinés aux traitements. En effet, elle pourrait permettre d'analyser et d'évaluer de manière objective les effets de différentes agressions extérieures (exposition aux rayons UV, pollution par un produit chimique ou par atmosphère, incision, etc.) et les effets de produits médicaux ou dermo-cosmétiques (crèmes hydratantes, crèmes anti-vergetures, pansements cicatrisants, etc.) sur les propriétés viscoélastiques de la peau humaine.

Skin is the envelope of the human body, acting as our body's first protective barrier. The mechanical properties of human skin play a key role in skin integrity, as they confer its ability to remain intact to the cutaneous tissue. Measuring the mechanical properties of the skin therefore has many benefits, such as providing a method for objectively assessing the effects of medical or cosmetic products, and for quantifying skin pathologies that could affect them.In this context, a specific instrument for assessing the mechanical properties of human skin ex vivo has been developed. The aim of this equipment is to characterise both the conventional mechanical properties obtained from a tensile test at a constant stretching rate, and the two mechanical components, elasticity and dissipation, obtained from a mechanical spectrometry test, in order to discriminate each phenomenon. The proposed approach is to establish a phenomenological link between viscoelasticity and skin structure.The first part of the thesis was devoted to instrumental work to ensure that the equipment accurately and reliably measures the mechanical properties of deformable tissues. Its development and continuous improvement finally enabled these properties to be characterised on ex vivo human skin explants.Initial tests on ex vivo human skin explants enabled to confront and adapt the instrumentation with the study of biological samples. Firstly, preliminary studies were carried out on pre-conditioning, pre-tension state and mechanical anisotropy, to validate the reliability of the instrumentation and the methods developed. Once all these concepts had been studied, the viscoelastic properties of the explants were fully characterised. This characterisation also enabled to study their viability over time and the notion of skin ageing.This patented device, combined with the use of ex vivo skin explants under physiological conditions for several days, has finally allowed to assess the effect of different stresses on the mechanical properties of the skin. A study of stretch marks revealed that these damaged areas of skin were characterised by high mechanical anisotropy and had degraded viscoelastic properties. In addition, a study of explant freezing, a process used to preserve tissue over time, showed that freezing the skin appears to have a slight stiffening effect on its mechanical properties. Finally, the effect of enzymatic stress on the skin, mimicking a natural process of accelerated tissue ageing, was studied. This last study demonstrated a significant deterioration in the mechanical properties of explants exposed to proteolytic enzymes: collagenase and elastase. A link with histological analyses is proposed.The various studies carried out during this thesis have shown that this instrumentation can contribute to answering scientific and technical questions and could help in the development of products intended for treatments. Indeed, it could be used to objectively analyse and assess the effects of various external stresses (exposure to UV rays, chemical or atmospheric pollution, incisions, etc.) and the effects of medical or dermo-cosmetic products (moisturising creams, stretch mark creams, healing dressings, etc.) on the viscoelastic properties of human skin.