Ultrasonic rheology and CARS spectroscopy for multiscale skin characterisation

La peau constitue pour l’organisme une enveloppe et une séparation de l’environnement extérieur. Elle assure notamment la fonction barrière qui inclue entre autres le maintien de l’hydratation, une protection mécanique et la régulation des interactions avec des agents extérieurs chimiques ou biologiques. Le rôle de la peau est également sociétal, puisqu’elle donne la première appréciation de la santé, de l’âge ou de l’origine d’un individu. À l’heure où l’apparence et le bien-être représentent des préoccupations croissantes et où les exigences éthiques imposent de prouver les allégations des industriels, des solutions innovantes et efficaces doivent pouvoir être proposées en réponse aux besoins dermatologiques et cosmétiques. Dans ce contexte, le développement de nouveaux outils de caractérisation cutanée plus performants représente donc un enjeu majeur. De par sa faible épaisseur, la caractérisation de la couche cornée constitue notamment un verrou technologique, dont la levée est primordiale du fait du rôle de cette couche dans la fonction de barrière et l’aspect esthétique de la peau. Notre objectif est d’explorer le potentiel de deux techniques oscillatoires complémentaires, tant sur l’échelle spatio-temporelle d’investigation que sur le niveau d’informations apportées.L’épiderme et le derme pouvant être assimilés respectivement à un solide élastique et à un fluide viscoélastique, une approche rhéologique est adaptée. Par l’intermédiaire d’un substrat piézoélectrique à quartz générant une onde de cisaillement ultrasonore modifiée au contact de l’échantillon, un capteur micro-rhéologique multifréquence développé par le laboratoire permet de mesurer en direct et continu les propriétés viscoélastiques d’un milieu complexe. Ce capteur a été adapté pour le suivi d’explants de peau maintenus en survie sur plusieurs jours. Grâce à la mesure du module de cisaillement et du paramètre de structure, l’hydratation, la souplesse et l’élasticité de la peau peuvent être évalués à l’échelle mésoscopique. Une évolution cinétique typique des grandeurs d’intérêt a pu être déterminée pour comparaison à celle d’un modèle de peau à barrière fragilisé obtenu par stripping. Cette approche ex vivo est particulièrement intéressante pour des tests de toxicité ou l’évaluation de nouveaux produits en tant qu’alternative aux essais cliniques et aux tests sur animaux. L’interaction avec un ingrédient inhibiteur de kallicréine est également étudiée. En complément des informations obtenues par micro-rhéologie, il est pertinent de s’intéresser aux vibrations intramoléculaires. Reposant sur la diffusion inélastique suite à une excitation laser, la spectroscopie Raman spontané constitue une technique de référence pour l’étude cutanée in vitro, ex vivo ou in vivo, que ce soit pour de l’imagerie chimiquement spécifique, une étude du contenu aqueux, protéique ou lipidique, ou encore l’interaction de la peau avec des molécules exogènes. Cependant, la fluorescence compétitive et la faible section efficace limitent la sensibilité. Ceci impose la réalisation d’acquisitions de longues durées, peu adaptées pour les échantillons biologiques. Faisant intervenir un mélange non linéaire à quatre ondes, la spectroscopie Raman Cohérent Anti-Stokes (CARS) apporte une solution à ces limites. Un banc de spectroscopie permettant de mesurer à la fois des mesures Raman spontané et CARS multiplex en epi-détection a été mis en place. La complémentarité de ces deux nouvelles techniques non destructives acoustique et optiques offre une approche multi-modale et multi-échelle pour une caractérisation physico-chimique de la peau. Plus fondamentalement, elles ouvrent la voie d’une meilleure compréhension des mécanismes de renouvellement cellulaire épidermique, de desquamation et protection cutanée, ainsi que des pathologies associées.As the outermost layer of the body, the main function of skin is to ensure a barrier against the external environment. This function includes limitation of water loss, protection from the mechanical aggressions and regulation of chemical or biological agents interactions. Skin also plays a societal role since it provides the first impression of an individual’s health, age or origin. With the increasing importance of physical appearance and ethical requirements, cosmetics and dermatology industry need to prove its allegation and to offer efficient and innovative solutions. In that respect, the challenge is to develop new tools for skin characterisation. Studying the stratum corneum - the epidermis most external layer, still represents a technological issue because of its low thickness. Yet, this layer is strongly related to the barrier function as well as to the aesthetical look of skin. We aim to explore the potential of two oscillatory techniques, which proves to be complementary on both space-time scale investigation and accessible information level.Since the epidermis and the dermis can respectively be associated to an elastic solid and a viscoelastic fluid, a rheological approach can be used. At SATIE, a sensor based on a piezoelectric substrate of quartz that can generate a shear ultrasonic wave to measure the viscoelastic properties of different kind of medium has been developed. In particular, this sensor has been optimised to enable the monitoring of skin explants kept alive for several days. Through the calculation of the complex shear modulus, properties such as cutaneous hydration, elasticity and softness can be determined at the mesoscopic scale. The typical kinetic evolution of the interesting parameters has been studied in order to compare it with a skin model mimicking a weakened barrier. As an alternative to clinical trial or animal testing, this ex vivo method is especially interesting for toxicity assays or new ingredient evaluation. The interaction of the explant with a kallicrein inhibitor product has also been investigated. To complete the information accessible by micro-rheology, it is relevant to study intramolecular vibrations. Based on the light inelastic diffusion when it interacts with matter, spontaneous Raman spectroscopy represents a reference tools for in vitro, ex vivo or in vivo skin characterisations. It is useful to image with chemical specificity, to analyse the water, lipid or protein composition, as well as studying skin interaction with exogenous molecules. However, the competitive fluorescence and the low photonic scattering cross section limit the sensitivity of this technique. Consequently, long acquisitions need to be carried, which is not optimal when dealing with biological systems. Thanks to a nonlinear four wave mixing process, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) spectroscopy enables to overcome these drawbacks. An optical bench enabling to measure both spontaneous Raman and CARS spectra has been set-upped. This combination of optical and acoustic techniques provides a multimodal and multiscale method to characterise skin from physical and chemical points of view. More generally, it aims to better understand the epidermis cell renewal, desquamation, cutaneous protection and the associated pathologies

Mesoscopic Monitoring of Human Skin Explants Viscoelastic Properties

The investigation of the mechanical properties of skin is of great interest for monitoring physiological and pathological changes in the cutaneous barrier function for dermatological and cosmetic issues. Skin constitutes a complex tissue because of its multi-layered organisation. From a rheological point of view, it can be considered to be a soft tissue with viscoelastic properties. In order to characterise ex vivo mechanical properties of skin on the mesoscopic scale, a biosensor including a thickness shear mode transducer (TSM) in contact with a skin explant was used. A specific experimental set-up was developed to monitor continuously and in real-time human skin explants, including the dermis and the epidermis. These were kept alive for up to 8 days. Skin viscoelastic evolutions can be quantified with a multi-frequency impedance measurement (from 5 MHz to 45 MHz) combined with a dedicated fractional calculus model. Two relevant parameters for the non-destructive mesoscopic characterisation of skin explants were extracted: the structural parameter αapp and the apparent viscosity ηapp. In this study, the validity of the biosensor, including repeatability and viability, was controlled. A typical signature of the viscoelastic evolutions of the different cutaneous layers was identified. Finally, monitoring was carried out on stripped explants mimicking a weakened barrier function

Ultrasonic microrheology for ex vivo skin explants monitoring: A proof of concept

International audienc

Développement d’un dispositif de spectroscopie vibrationnelle pour le Contrôle Non Destructif d'explants de peau

International audienc

Using wearables to optimise the prehospital medical care management of traffic accident casualties

International audienceUsing wearables to optimise the prehospital medical care management of traffic accident casualtie

Dispositif ex vivo de suivi en temps réel des propriétés mécaniques de peau maintenue en survie par microrhéologie ultrasonore

National audienc