25 novembre 2020 GloMeca #5 – Au-delà de la visco-élasticité, l’hystérèse…

Dans le premier GloMeca, nous abordions la thématique de la visco-élasticité et les raisons pour lesquelles la peau peut être considérée comme un matériau visco-élastique.

En raison de ce comportement visco-élastique, la réponse mécanique de la peau aux forces implique à la fois une caractéristique visqueuse associée à la dissipation d’énergie et une caractéristique élastique associée au stockage d’énergie.

Pourquoi parler d’hystérèse ?

Dans la littérature, l’hystérèse est définie comme un “phénomène qui consiste en ce fait que la couche caractéristique obtenue en déchargeant une fibre, etc., préalablement étirée en deçà de sa limite élastique, ne se confond pas avec celle correspondant à la charge. On constate une sorte de “retard” dans la contraction”.

D’un point de vue mécanique, la peau peut être comparée à un matériau composite à la structure très organisée. Du fait de sa structure complexe, la peau est un matériau fortement anisotrope et nous pouvons expliquer ce comportement visco-élastique grâce à la mesure de l’hystérèse dans la relation contrainte-déformation.

En Biophysique, l’hystérèse est définie comme l’énergie perdue dans les tissus entre le chargement et le déchargement.

L’hystérèse est provoquée par le frottement interne d’un matériau. Ce frottement est responsable de la dissipation d’énergie de la contrainte mécanique vers la chaleur.

Lorsque la peau est stimulée de manière répétée avec une sonde de charge constante, ce qui est réalisé avec un Microscope de Force Atomique (AFM), les courbes de force-indentation se transforment en un graphe de charge-élongation et les effets de l’hystérèse ont tendance à diminuer.

Pourquoi l’AFM?

Pour rappel, dans le mode contact intermittent de l’AFM (ou tapping mode), généralement utilisé pour des échantillons “mous” tels que la peau, le levier est réglé de manière à osciller verticalement à sa propre fréquence de résonance. Une fois que la pointe est éloignée de l’échantillon de peau, le levier oscille alors avec une amplitude constante, alors que l’amplitude des oscillations est réduite dans le cas de distances pointe-échantillon plus faibles.

Les différences entre la phase d’entraînement réglée et la phase de réponse du levier peuvent être utilisées dans le but d’obtenir un aperçu des propriétés visco-élastiques et adhésives de l’échantillon étudié.

La flexion du levier est déterminée comme une fonction à part entière du déplacement du scanner piézoélectrique, tandis que la force détectée par le levier est calculée sur la base de la loi de Hooke.

La courbe d’approche (en bleu) donne des informations sur les forces répulsives ou attractives. Ensuite, le contact du levier avec l’échantillon (aussi appelé point de contact) permet d’étudier les propriétés mécaniques. Finalement, la courbe de rétraction (en rouge) donne pour sa part des informations sur les forces d’adhésion.

La zone entre la courbe bleue et la courbe rouge représente l’hystérèse. La mesure de ce ratio permet de donner beaucoup d’informations, principalement concernant le comportement élastique d’un matériau. Nous obtenons les paramètres de visco-élasticité par la mesure de l’hystérèse en fonction du temps.

L’élasticité de la peau est une propriété qui lui permet de reprendre sa forme initiale après étirement ou déformation, tandis que la visco-élasticité intègre la teneur en eau de la peau et joue un rôle prépondérant dans la barrière cutanée.

Nous savons que la visco-élasticité de la peau varie au fil de l’âge et les chercheurs ont découvert que le vieillissement et l’exposition au soleil et aux rayons UV sont capables de la diminuer (Thakur, Batheja, Kaushik, & Michniak, 2008).

La Microscopie de force atomique représente donc un outil pertinent dans l’étude de la visco-élasticité de la peau et apporte ainsi une aide précieuse dans le développement de soins de la peau.