La migration de l’eau est un sujet générique dans divers domaines dont l'analyse permet de mieux comprendre les propriétés rhéologiques, sensorielles et de conservation des produits au cours du temps. Les apports de la relaxométrie et de la micro-imagerie par RMN dans ce domaine sont larges et d’un intérêt majeur au vue des caractéristiques non-invasives, non-destructives et quantitatives de ces méthodes, utilisables alors que le produit est en cours de transformation. Deux méthodologies ont été développées afin d’étudier les transferts de protons sur une large gamme de temps et de distance. La première a consisté à implémenter de nouvelles méthodes d’acquisition et de traitement du signal de RMN à bas champ (20 MHz) en 2D pour corréler non seulement les temps de relaxation T1 et T2 mais également les coefficients de diffusion translationnelle D et T2 sur des échantillons modèles amidon-eau de diverses origines botaniques (blé, pomme de terre et maïs cireux). Les mesures 2D se sont révélées suffisamment robustes pour quantifier les transferts de protons de l’eau et des polymères d’amidon pendant leur gonflement, leur gélatinisation et leur rétrogradation. Une approche complémentaire en micro-imagerie par RMN (500 MHz) a consisté à mesurer au cours du temps des profils de concentration de l’eau pénétrant sur plusieurs millimètres dans un extrudé d’amidon de pomme de terre contenant du glycérol. La diffusion de transport de l'eau et le taux de gonflement de l’extrudé ont été quantifiés à 22°C pendant plus de 20h. / Water migration is a generic subject in various fields, the analysis of which makes it possible to better understand the rheological, sensory and conservation properties of products over time. The contributions of relaxation and NMR micro-imaging in the field are broad and of major interest in view of the non-invasive, non-destructive and quantitative characteristics of these methods, which can be used while the product is under processing. Two methodologies have been developed to study the transfers in a wide range of time and length. The first consisted in implementing new methods of acquisition and processing of the NMR signal in 2D at low-field (20 MHz) to correlate not only the relaxation times T1 and T2 , but also the translational diffusion coefficients D and T2 on starch-water model samples from various botanical origins (wheat, potato and waxy corn). The 2D measurements have proved sufficiently robust to quantify the transfers of protons from water and starch polymers during their swelling, gelatinization and retrogradation. A complementary approach by MR micro-imaging (at 500 MHz) consisted in measuring, over time, the water uptake on several millimeters in an extrudate of potato starch containing glycerol. The diffusion transport of the water and the rate of the extrudate swelling were quantified at 22°C for more than 20 hours.

La peau est un organe particulier de l'organisme dont la fonction principale est un rôle de protection vis-à-vis du milieu extérieur. Cette fonction est assurée grâce à la structure du tissu cutané en trois couches (épiderme, derme, hypoderme). Le derme est responsable de la résistance et de la souplesse de la peau. Le composant moléculaire majeur du derme est le collagène de type I, qui est fortement altéré au cours du vieillissement chronologique. Dans ce contexte, notre étude a pour objectif d'évaluer les modifications moléculaires du collagène dermique associées au vieillissement cutané par spectroscopies vibrationnelles (diffusion Raman et absorption infrarouge). Par déconvolution de la bande Amide I du signal Raman, nous avons mis en évidence, en fonction de l'âge de la peau, des modifications au niveau des interactions entre le collagène et les molécules d'eau ; ce qui reflète un espacement croissant des faisceaux de fibres de collagène au cours du vieillissement. En micro-imagerie infrarouge polarisée, le ratio des bandes Amide I/ Amide II permet d'évaluer l'orientation des fibres de collagène qui deviennent parallèles à la surface de la peau lors du vieillissement. Des expérimentations préliminaires ont également montré la possibilité de localiser sans marquage la jonction dermo-épidermique de la peau grâce aux caractéristiques spectrales du collagène de type IV. Une analyse ciblée de cette structure nécessite de développer de nouveaux instruments basés sur la spectroscopie en champ proche (Tip Enhanced Raman Scattering, NanoIR) ; ce qui devrait permettre de suivre les altérations du collagène de type IV au cours du vieillissement cutané. / Skin is a particular organ of the body whose the main function is a protective role towards the external environment. This function is provided by the structure of skin tissues in three layers (epidermis, dermis, hypodermis). The dermis is responsible for the strength and elasticity of the skin. The major molecular component of the dermis is the type I collagen, which is strongly altered during chronological aging. In this context, our study aims at evaluating the molecular modifications of the dermal collagen associated with skin aging by vibrational spectroscopy (Raman diffusion and infrared absorption). Using curve-fitting of Raman Amide I band, modifications in the interactions between collagen and water molecules were highlighted depending of the donor age. Such result reflects an increasing spacing of the collagen fiber bundles during aging. In addition, the collagen fibers orientation can be evaluated from the amide I/ amide II ratio calculated in polarized infrared micro-imaging. It appeared that the collagen fibers become orientated parallel to the skin surface with aging. Preliminary experiments showed also the ability to localize in a label-free manner the dermo-epidermal junction of the skin using the spectral characteristics of type IV collagen. A precise analysis of this structure requires the development of new instruments based on near-field spectroscopy (Tip Enhanced Raman Scattering, NanoIR); which could permit to follow the collagen IV alterations during skin aging.

La peau assure la protection de l’organisme contre les agressions extérieures. Pourtant, la peau n’est pas à l’abri des effets inéluctables du vieillissement chronologique. En effet, ce processus a pour conséquence d’altérer la structure des différentes couches cutanées au point d’en affecter leurs caractéristiques fonctionnelles. Ce travail de thèse a pour but de caractériser les modifications moléculaires et structurales de la peau au cours du vieillissement chronologique à l’aide de méthodes non-invasives que sont les spectroscopies optiques vibrationnelles. Ainsi avons-nous pu mettre en évidence des altérations structurales du réseau de collagène dans des échantillons de peaux d’âges différents à l’aide d’une approche basée sur l’imagerie IR-TF (Infrarouge à Transformée de Fourier) en mode polarisé. Par la suite, nous avons démontré l’influence des molécules d’eau sur les changements d’orientation des fibres de collagène avec l’âge en adoptant une méthodologie basée sur la substitution, thermodynamiquement favorable, des molécules d’eau liée au collagène (H2O) par des molécules d’eau deutérée (D2O). Lors d’études réalisées in vivo, nous avons établi des corrélations entre les propriétés physiques (mécanique et statut d’hydratation) et les informations moléculaires du stratum corneum (SC) en traitant les données Raman et biométriques par la méthode des moindres carrés partiels (PLS). En s’appuyant sur la complémentarité des techniques biophysiques employées, ces différentes études ont permis d’illustrer le potentiel des spectroscopies vibrationnelles pour évaluer le vieillissement cutané et en déterminer certaines bases moléculaires. / The skin protects the body against external aggressions. However, the skin is not immune to the inevitable effects of the chronological aging. Indeed, this process leads to several structural alterations of the different cutaneous layers to the point of affecting their functional characteristics. This thesis work aims to assess the molecular and structural changes of the skin during chronological aging by using non-invasive methods such as optical vibrational spectroscopies. To do this, we highlighted the structural modifications of the collagen network in different-aged skin samples by using an approach based on FT-IR imaging (Fourier Transform Infrared) in polarized mode. Subsequently, we demonstrated the influence of water molecules on the changes of collagen fibers with age by adopting a methodology based on the substitution, thermodynamically favorable, of the collagen-bound water molecules (H2O) by deuterated water molecules (D2O). In in vivo studies, we have established correlations between physical and molecular properties of the stratum corneum (SC) by analyzing the Raman and biometric measurements with the Partial Least Squares (PLS) processing. Based on the complementarity of the biophysical techniques employed, these studies permitted to evaluate the impact of the chronological aging on the skin and could open some interesting prospects in both cosmetology and dermatology.