Biomechanical Response of Human Skin : A Hierarchical Porous Media Framework.

Réponse Biomécanique de la Peau Humaine : Une Approche Multi-Compartiment des Milieux Poreux. Les tissus vivants, tels que la peau, sont particulièrement sensibles aux altérations mécaniques et physiologiques, pouvant conduire à l’apparition de lésions, de rougeurs inflammatoires ou de plaies ouvertes. Ces altérations, regroupées sous le terme d’« endommagement tissulaire », désignent toute dégradation de la structure ou de la fonction du tissu. Elles peuvent survenir dans des conditions physiologiques normales ou résulter de contraintes mécaniques externes, telles qu’une pression modérée mais prolongée, ou au contraire, une charge intense appliquée brutalement. Ces situations sont fréquentes chez les patients hospitalisés, les personnes en situation d’immobilité prolongée, alitées ou en fauteuil roulant, et peuvent conduire à des complications graves. Ces lésions, accentuées par le vieillissement démographique et les habitudes sédentaires, constituent un enjeu majeur de santé publique. Leur prévention et leur prise en charge reposent sur une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents, afin d’anticiper leur survenue et de développer des stratégies personnalisées de soin.L’apparition de lésions tissulaires résulte d’un enchevêtrement de facteurs mécaniques, biologiques et individuels. Les études animales ont mis en évidence un lien entre le chargement mécanique des tissus, la privation d’oxygène (ischémie) et la mort cellulaire, cette dernière survenant notamment lorsque la déformation mécanique dépasse un seuil critique, en compression ou en cisaillement. De plus, plusieurs travaux ont montré que les effets mécaniques et ischémiques agissent de manière synergique pour initier et propager les lésions. Toutefois, les modèles mathématiques actuels traitent encore trop souvent ces dimensions de manière séparée, sans intégrer explicitement les interactions dynamiques entre contraintes mécaniques, déformation du tissu, microcirculation et réponse biologique. Ce cloisonnement constitue une limite importante à la prédictivité et à la transférabilité de ces modèles. Par ailleurs, la majorité des données utilisées pour calibrer ces modèles provient d’animaux, rendant difficile leur application directe à la peau humaine et, a fortiori, leur adaptation à la variabilité interindividuelle des patients.L’hypothèse centrale de ce travail est qu’un cadre de modélisation poromécanique, multi-phasique et multi-échelle, intégrant les composantes structurelles, fluidiques et biologiques du tissu, permettrait de mieux caractériser le couplage entre chargement mécanique et réponse microvasculaire.La stratégie mise en œuvre combine étroitement modélisation mathématique et validation expérimentale (en conditions physiologiques). Une formulation poromécanique intégrant la phase solide du tissu cutané, l’interstitium (incluant fluide interstitiel et cellules mobiles), ainsi que la microcirculation vasculaire, a été implémentée dans le logiciel open-source FEniCSx. Des données expérimentales d’essais d’extension extit{in vivo} sur peau humaine ont permis de valider la capacité du modèle à reproduire la réponse temporelle du tissu cutané soumis à une sollicitation mécanique. Puis une étude expérimentale réalisée au cours de cette thèse, reposant sur l’indentation de la peau couplée à une mesure de la perfusion par sonde laser Doppler, a été conduite pour caractériser la réponse microcirculatoire sous chargement externe. Le modèle a été enrichi pour intégrer le réseau vasculaire et la possibilité d’incorporer des processus biologiques tels que la diffusion d'oxygène.Ce travail propose ainsi une approche pour étudier l’interaction entre les mécanismes d’endommagement cutané sous contrainte, en s’appuyant sur une modélisation couplée des processus mécaniques et biologiques. En offrant un outil capable de prendre en compte la complexité multi-échelle du tissu humain et sa variabilité interindividuelle, cette recherche pourrait inspirer de meilleures stratégies de prévention et de traitement personnalisés.