La peau est composée en majorité de collagène et présente une microstructure très hiérarchisée qui influe sur son comportement mécanique aux différentes échelles. Pour caractériser l'influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques, un test de traction bi-axiale couplé à une mesure macroscopique (corrélation d'images numériques) et microscopique (génération de second harmonique) a été développé . A terme, ce travail permettra de corréler les propriétés macroscopiques à la microstructures. Cette étude présente les résultats de la mesure effectuée par corrélation d'images

Affagard, Jean-Sébastien

Allain, Jean-Marc

Bonod-Bidaud, Christelle

Ducourthial, Guillaume

Lynch, Barbara

Rubio Amador, Ruth

Ruggiero, Florence

Schanne-Klein, Marie-Claire

Wijanto, Florent

I-Revues

22e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique Lyon, 24 au 28 Aouˆt 2015
E´tude de la re´organisation macroscopique de la
peau de souris lors d’une sollicitation bi-axiale
J-S. AFFAGARDa , F. WIJANTOa , B. LYNCHa , G. DUCOURTHIALb , M-C.
SCHANNE-KLEINb , R. RUBIO AMADORc , C. BONOD-BIBAUDc , F. RUGGIEROc ,
J-M. ALLAINa
a. Laboratoire de Me´canique des Solides (LMS), E´cole Polytechnique, 91120 Palaiseau
b. Laboratoire Optique et Biosciences (LOB), E´cole Polytechnique, 91120 Palaiseau
c. Institut de Ge´nomique Fonctionnelle de Lyon (IGFL), 46 alle´e d’Italie, 69364 Lyon
{ affagard@lms.polytechnique.fr }
Re´sume´
La peau est compose´e en majorite´ de collage`ne et pre´sente une microstructure tre`s hie´rarchise´e qui
influe sur son comportement me´canique aux diffe´rentes e´chelles. Pour caracte´riser l’influence de la
microstructure sur les proprie´te´s me´caniques un test de traction bi-axiale couple´ a` une mesure macro-
scopique (corre´lation d’images nume´riques) et microscopique (ge´ne´ration de second harmonique) a e´te´
de´veloppe´. A terme, ce travail permettra de corre´ler les proprie´te´s macroscopiques a` la microstructure.
Cette e´tude pre´sente les re´sultats de la mesure effectue´e par corre´lation d’images.
Abstract
The skin is mainly composed of collagen and has a very hierarchical microstructure that influences its
mechanical behavior at different scales. To characterize the influence of the microstructure on the me-
chanical properties a bi-axial tensile test coupled with a macroscopic (digital image corrrelation) and
microscopic (second harmonic generation) measurement has been developed to, finally, correlate the
macroscopic behavior with the microstructure. This study aims at presenting the strain measurements
realized from digital image correlation.
Mots clefs : biome´canique, traction bi-axiale, peau, corre´lation d’images nume´riques,
anisotropie
1 Introduction
Les tissus biologiques posse`dent une microstructure tre`s hie´rarchise´e engendrant ainsi une variabi-
lite´ des proprie´te´s me´caniques inter-individus. Les tissus conjonctifs mous tels que la peau sont, par
exemple, constitue´s a` plus de 90% de prote´ines contenues dans la matrice extracellulaire, les collage`nes
fibrillaires e´tant de loin pre´dominants. Cette microstructure donne a` la peau, par l’interme´diaire du
derme, tissu pre´ponde´rant, un comportement complexe viscoe´lastique, non-line´aire et anisotrope [1].
Une diminution de la synthe`se du collage`ne ou une synthe`se aberrante conduit ge´ne´ralement a` une
de´gradation des proprie´te´s me´caniques des tissus et / ou a` un retard de cicatrisation. Par exemple, le
de´re`glement de la fibrillogene`se du collage`ne est caracte´ristique de plusieurs sous-types du syndrome
d’Ehlers-Danlos (EDS). La forme la plus courante d’EDS de´coule de mutations du ge`ne du collage`ne V.
Dans cette optique, cette e´tude vise a` comprendre le lien entre la microstructure des tissus conjonctifs
et leurs proprie´te´s me´caniques macroscopiques [2]. Cependant, le lien entre les proprie´te´s me´caniques
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de la peau a` l’e´chelle macroscopique et la de´formation du tissu a` l’e´chelle microscopique reste peu
clair. Ce lien va eˆtre e´tudie´ sur des souris sauvages saines et des souris pre´sentant la forme classique
du Syndrome d’Ehlers-Danlos. Pour ce faire, un protocole de traction uni-axiale couple´ a` une imagerie
SHG (Second Harmonic Generation) a e´te´ de´veloppe´ [3]. Il permet un suivi local de la de´formation a`
une e´chelle microscopique. Nous pre´senterons ici un protocole de traction bi-axiale couple´ a` une mesure
par corre´lation d’images permettant ainsi de mettre en e´vidence le comportement macroscopique de la
peau.
2 Mate´riel et me´thode
Les e´chantillons de peau de souris ex vivo proviennent de souris aˆge´es d’un mois dont l’e´piderme et
l’hypoderme ont e´te´ pre´alablement retire´s. La de´coupe est effectue´e avec un emporte pie`ce dont le rayon
est de 16 mm (fig.2a). Ces e´chantillons de derme sont soumis a` une traction bi-axiale. Les dimensions de
l’e´chantillon sont mesure´es a` l’aide d’un pied a` coulisse nume´rique. Les e´chantillons ont typiquement
une longueur et une largueur de 2 cm et une e´paisseur de 1 mm. L’axe ante´roposte´rieur est place´ le long
de l’axe x (fig.2). Le chargement consiste a` successivement imposer un de´placement sur chacun des
axes tel qu’illustre´ a` la fig.1a. La sollicitation se voulant quasi-statique, le de´placement impose´ est de
10−4 s−1. La force re´sultante est de´duite a` l’aide de capteurs de force.
FIGURE 1 – a) Chargement impose´. b) Courbe force-de´formation dans chaque direction de la traction
bi-axiale
Le mouchetis est obtenu suite a` la de´pose de graphite. La re´ponse est suivie a` l’aide d’une came´ra
digitale munie d’un objectif te´le´centrique (TC16M036-Q, OPTOENGINEERING) prenant une image par
seconde (taille du pixel : 4.179 µm)). Le champ de de´placement est mesure´ par corre´lation d’images
nume´rique (CIN) entre l’image de re´fe´rence (fig.2a) et les images soumises a` une de´formation (fig.2b-
d) [4]. Comme illustre´ par les points nume´rote´s fig.1a, les champs de de´placement et de de´formation
seront uniquement repre´sente´s pour ces niveaux de de´formation. Cette e´tude pre´sente le re´sultat de la
mesure de champ sur un unique e´chantillon, cependant, 11 e´chantillons ont e´te´ e´tudie´s.
3 Re´sultats et discussion
Les courbes force-de´formation obtenues sont classiques d’un essai de traction bi-axiale (fig. 1b) dans
lequel la contrainte dans chaque direction est lie´e en raison de l’effet poisson. On peut y distinguer la
rupture de l’e´chantillon pour une de´formation en Y se situant aux alentours de 22%. La de´formation en
X est de 30% a` cet instant.
Les re´sultats de la corre´lation d’images sont pre´sente´s fig.2. Les re´sultats des champs de de´placement
mesure´s sont cohe´rents au chargement applique´. Les chargements selon X sont tre`s similaires entre
les trois configurations de chargement ou seul le chargement selon Y varie (fig.2e-g). Concernant la
mesure selon Y, la premie`re image (fig.2h) illustre une compression induite par l’effet poisson. Ensuite,
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le champ mesure´ est proportionnel entre le chargement selon Y a` 10% (fig.2i) et 20% (fig.2j). Les
champs de de´formation xx (fig.2k-m) et yy (fig.2n-p) posse`dent une de´formation moindre en son
centre qui illustre le fait que la de´formation est plus importante dans les bras de l’e´prouvette qu’en son
centre.
(a) Ux = 0, Uy = 0 (b) Ux = 10%, Uy = 0
(c) Ux = 10%, Uy =
10%
(d) Ux = 10%, Uy =
20%
(e) Ux (f) Ux (g) Ux
(h) Uy (i) Uy (j) Uy
(k) xx (l) xx (m) xx
(n) yy (o) yy (p) yy
FIGURE 2 – a) Configuration de re´fe´rence. b) Configurations sous chargement : x=10% et y=0, c)
x=10% et y=10%, d) x=10% et y=20%. e-g) Cartographies des champs de de´placement selon x et h-j)
selon y. k-m) Cartographies des champs de de´formation xx et n-p) yy
4 Conclusion
L’approche de´veloppe´e illustre la mesure de champ suite a` une traction bi-axiale sur une peau de souris.
Cette technique d’observation du tissu au niveau macroscopique nous permettra de caracte´riser des
proprie´te´s me´caniques anisotropes voire he´te´roge`nes sur l’e´chantillon entier. En paralle`le, la re´ponse
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macroscopique sera e´tudie´e sous ge´ne´ration de second harmonique. Aussi, cet essai devrait permettre
d’analyser la relation entre la re´ponse macroscopique du tissu et l’organisation de la microscopique
(fibres de collage`ne). Cela nous permettra, a` terme, d’identifier un mode`le me´canique de la peau base´e
sur sa microstructure.
Cette e´tude sera, par ailleurs, utilise´e pour appre´hender la relation entre certaines modifications patho-
logiques de la synthe`se du collage`ne tel que le syndrome d’Elhers-Danlos, l’organisation des fibres et
les proprie´te´s biome´caniques de la peau.
Re´fe´rences
[1] Y.C. Fung. Biomechanics : Mechanical Properties of Living Tissues. Springer-Verlag, New York,
1993.
[2] Y. Lanir. A structural theory for the homogeneous biaxial stress-strain relationships in flat collage-
nous tissues. Journal of biomechanics, 12(6) :423–436, 1979.
[3] B. Lynch. E´tude du lien entre proprie´te´s me´caniques macroscopiques et organisation microstruc-
turale de la peau. 21e`me Congre`s Franc¸ais de Me´canique, 26 au 30 aouˆt 2013, Bordeaux, France
(FR), 2013.
[4] Michael A Sutton. Computer vision-based, noncontacting deformation measurements in mecha-
nics : a generational transformation. Applied Mechanics Reviews, 65(5) :050802, 2013.


Etude de la réorganisation macroscopique de la peau de souris lors d'une sollicitation bi-axiale

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/57261/1/70443.pdf

Etude de la réorganisation macroscopique de la peau de souris lors d'une sollicitation bi-axiale

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