14 mai 2020 GloMeca #2 – Le module élastique à l’échelle de la peau

CONTEXTE

Notre peau, constituée de différentes couches (épiderme, hypoderme, derme), est régulièrement sollicitée par toute forme de « déformations* ». Du fait de leur composition et de leur épaisseur différente, chacune de ces couches va alors assurer une fonction mécanique qui lui est propre.

Ce sont en grande partie les fibres d’élastine* et de collagène* qui assurent la résistance de la peau à la traction. La peau comportant 14 types de collagène et 3 types de fibres d’élastine, cette diversité rend le comportement de la peau relativement complexe à appréhender.

Figure 1 : Etude des réponses des cellules épidermiques ou dermiques après des forces d’étirement.

La réponse globale de la peau en traction se caractérise par une courbe contrainte/déformation élastique bilinéaire, dont l’évolution est corrélée au rôle joué par chacune des familles de fibres.

Le module élastique (ou module de Young) est la grandeur intrinsèque définissant la résistance d’un matériau à cette déformation élastique*, lorsqu’une force externe lui est appliquée. Défini par une constante reliant la contrainte de traction à la déformation anticipée d’un matériau aussi élastique que la peau, le module élastique est mesurable en Pascal (ou Pa).

En biomécanique, le module élastique est très régulièrement évalué dans l’objectif de décrire avec précision les propriétés mécaniques de la peau. Dans ce cadre, le choix le plus courant en termes de propriétés structurales est celui de la rigidité tissulaire.

Pourquoi la rigidité ? Aussi appelée raideur, il s’agit de la principale caractéristique permettant d’indiquer la résistance à la déformation élastique d’un matériau tel que la peau. C’est pour cette raison que plus une partie cutanée est dite raide, plus il faut lui appliquer un effort suffisamment important afin d’obtenir une déviation significative de position.

Figure 2 : Etude de la rigidité des cellules épidermiques ou dermiques.

Ainsi, la relation avec la rigidité (k) est mesurable par la formule où :

• (A) est l’aire de la section transversale
• (L) est la longueur du matériau
• (E) est le module élastique

POURQUOI L’AFM ?

La Microscopie de Force Atomique (ou AFM) permet de caractériser les propriétés élastiques d’objets biologiques comme la peau, avant et après ajout d’un principe actif/produit. Une sonde présentant une pointe sphérique de plusieurs µm de rayon de courbure d’approche (ou courbe force-séparation) est employée pour définir une constante de rigidité (k) au contact de la peau.

Le module élastique (E) est calculé grâce au modèle de Hertz qui suppose le contact de l’échantillon avec une sphère (Hertzian spherical).

Le module élastique est alors mesurable grâce à la formule où :

• (F) est la force appliquée
• (E) est le module élastique
• (R) est le rayon de courbure de la sonde AFM
• (δ) est la déformation (indentation) de l’échantillon
• (v) est le ratio poisson* (ici 0.3)

L’ensemble des données permet d’évaluer efficacement la capacité de résistance cutanée à une déformation élastique dans un contexte où les propriétés mécaniques du tissu sont un indicateur décisif de l’impact d’un produit actif sur le module élastique global de la peau.

LEXIQUE

• Déformation : déformation d’un solide due à toute forme de contrainte (sans unité)
• Déformation élastique : propriété d’un matériau solide à retrouver sa forme d’origine après avoir été déformé.
• Élastine : protéine possédant des propriétés élastiques qui expliquent que la peau puisse reprendre sa forme initiale après un pincement ou un étirement.
• Collagène : famille de protéines structurales dont la fonction est de conférer aux tissus une résistance mécanique à l’étirement.
• Rigidité : mesure dans laquelle un objet résiste à la déformation en réponse à une force externe appliquée (mesurée en N/m).
• Ratio poisson : caractérisation de la matière perpendiculairement à la direction de l’effort appliqué.