Les bois sont une combinaison complexe de très fortes hétérogénéités multi-échelles, avec une trame de fond par espèce qui caractérise ses trois plans d'anisotropie. Les propriétés macroscopiques des bois dépendent de l'ensemble des échelles inférieures d'hétérogénéités : les cernes de croissance, les cellules, ainsi que l'organisation et la concentration des composés chimiques des parois cellulaires. Alors que l'effet des microfibrilles de cellulose cristalline de la phase solide sur les propriétés macroscopiques a été étudié, l'un des défis actuels consiste à évaluer le déterminisme des arrangements moléculaires au sein des parois sur les propriétés des cellules au sein d'un tissu. Dans ce contexte, le présent travail de thèse se développe selon deux axes : (i) La collecte d'informations sur les organisations pariétales à travers la diversité des cellules, et (ii) la caractérisation des propriétés micro-mécaniques à l'échelle du tissu, avec la prise en compte des échelles inférieures d'hétérogénéités. L'essentiel des descriptions sub-pariétales a été réalisé à l'aide d'un micro-spectromètre confocal Raman, et d'outils d'analyses dédiés qui ont été développés dans le cadre de cette étude. Les résultats obtenus ont par exemple permis de caractériser la paroi d'une cellule en formation (thylle), l'installation de la paroi secondaire dans des fibres, l'influence de stimuli environnementaux sur l'organisation sub-pariétale, ou encore le caractère continu de l'organisation spatiale des microfibrilles dans l'épaisseur des parois de différents types de cellules matures. La caractérisation mécanique a été réalisée selon la direction longitudinale des cellules, dans des essais de traction sur des éprouvettes de très faibles dimensions (épaisseur inférieure à 100 µm). La mise en évidence des phénomènes complexes en jeu dans le comportement mécanique a fait l'objet d'une étude sur la variation des propriétés structurales et mécaniques à l'intérieur d'un cerne. Les différentes phases de la relation contrainte-déformation ont été discutées, et une modélisation simplifiée par homogénéisation multi-échelle a notamment permis de poser un ensemble de pistes de réflexions sur le déterminisme de l'organisation sub-pariétale sur les propriétés mécaniques des cellules au sein d'un tissu. / Woods are a highly complex combination of multi-scale heterogeneities. Macroscopic properties of wood depend on all smaller scales of heterogeneity: growth rings, cells, as well as organization and concentration of cell wall chemical compounds. While the effect of the crystalline elements (microfibrils) of the solid phase on the macroscopic properties has been studied, one of the challenges is to estimate the determinism of the cell-wall molecular arrangements on the cells' properties inside a tissue. In this context, the present study is developed along two lines: (i) The collection of information on cell wall organization across the diversity of cells, and (ii) the characterization of micro-mechanical properties at the tissue level, with the consideration of smaller scales of heterogeneity. Most sub-cell wall descriptions were performed using a confocal Raman micro-spectrometer, and tools of analysis that were developed in this study. For example, obtained results have highlighted the cell wall of a living cell (thyllose), the cell wall formation in poplar fibers close to the cambial region, the impact of environmental stimuli on sub-cell wall organization, or else the continuous variation of the spatial organization of crystalline compounds in wall of different mature cells. The mechanical characterization was realized in the longitudinal direction on small samples (thickness below 100µm). The understanding of complex phenomena involved in the mechanical behavior was approached through a study on the variation of structural and mechanical properties within a ring. The different parts of the stress-strain curve have been discussed, and a simplified homogenization model has help to highlighted the determinism of sub-cell wall organization on the mechanical properties of cells at the tissue level.

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.

La fonction barrière de la peau, qui protège l’organisme contre les molécules exogènes, limite la pénétration des actifs cosmétiques, ce qui réduit l’efficacité des molécules actives dans les couches profondes de l’épiderme. Il est alors apparu essentiel d'optimiser l'administration des actifs cosmétiques déjà existants afin d’en tirer tout le bénéfice escompté. Certaines innovations sont développées pour répondre à ce défi, notamment l’encapsulation des actifs cosmétiques dans des nanosystemes. En parallèle, il est nécessaire de s’intéresser aux méthodes analytiques capables de fournir une information qualitative et quantitative sur ces systèmes dispersés dans un produit fini complexe et de permettre une évaluation biologique à différents stades de développement des formulations. / The barrier function of the skin, which protects the body against exogenous molecules, limits the penetration of active cosmetic ingredients (ACI), thus reduce the effectiveness of molecules with a deep cellular target. Therefore, it appeared crucial to optimize the administration of existing active cosmetic in order to get the full benefits expected. Some innovations are explored to bypass this issue, including the encapsulation of existing active cosmetic in nanocarriers. In parallel, it is important to also focus on the development of analytical methodologies that could provide qualitative and quantitative information, in particular the determination of ACI contents and potentially excipients incorporated in a final form, and biological evaluation at different stages of formulation.

La peau est l’organe le plus étendu du corps humain. Doté d’une membrane biologique fine appelée la couche cornée, celle-ci le protège du desséchement et des agressions extérieures chimiques ou mécaniques auxquelles le corps humain doit faire face. Ce travail de thèse a consisté, dans un premier temps, à décrire via la littérature existante les effets de l’âge,dûs au vieillissement intrinsèque et extrinsèque,sur la physiologie cutanée du Stratum Corneum (SC).La partie expérimentale basée sur la microscopie vibrationnelle traitera des variations de la fonction barrière et de l’hydratation du SC lors du vieillissement chronologique et photo-vieillissement. D’autres méthodes ont également été utilisées comme la chromatographie liquide en phase normale couplée à la spectrométrie de masse haute résolution dotée d’une source APCI et d’un détecteur Orbitrap pour l’étude de la composition détaillée des lipides du SC ainsi que des méthodes plus globales comme la PIE ou la cornéométrie. Le caractère non invasif de toutes ces méthodes a permis de réaliser ces études in vivo. L’évolution de la fonction barrière a été étudiée aux niveaux tissulaire, moléculaire et supramoléculaire par micro-spectroscopie confocale Raman et spectroscopie Infrarouge. Puis le lien moléculaire a été fait entre le vieillissement intrinsèque et les céramides de la matrice lipidique intercornéocytaires par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. Les molécules discriminantes entre population jeune et âgée ont été déterminées par analyse chimiométrique. L’évolution de l’hydratation cutanée aux niveaux tissulaire, moléculaire et supramoléculaire a également été l’objet d’une investigation approfondie. Les variations de la composition des NMF et la teneur en eau dans le SC lors du vieillissement cutané ont été mises en lumière en utilisant des descripteurs spectraux Raman. Les variations structurelles des molécules d’eau impactant l’organisation supramoléculaire des édifices lipidiques ont également été évaluées. Au cours du vieillissement, la fonction barrière cutanée et hydratation sont conservées. / Skin is the external surface defining the human body in space. Its outer-most layer is a thin biological membrane, called Stratum Corneum(SC), that protects the internal organs from desiccation as well as chemical or mechanical external aggressions. The present thesis aimsin a first step, to summarize the current knowledge regarding the effects of intrinsic and extrinsic aging on SCphysiology,based on available literature. The experimental part addresses the gaps in our understanding of the effects of chronological aging and photoaging on the SC barrier function and hydration, using traditional methods (such as trans epidermal water loss and skin conductance) as well as more advanced ones (vibrational spectroscopies, liquid chromatography in normal phase tandem mass spectrometry high resolution with an APCI source and an Orbitrap detector. As these methods are non-invasive, all studies have been carried out in vivo. The evolution of the barrier function has been studied at the tissular, molecular and supramolecular levels using confocal Raman micro-spectroscopy and infrared spectroscopy. Then the link between the intrinsic aging and the ceramides of the intercorneocytary lipid matrix has been studied by liquid chromatography tandem mass spectrometry. The discriminant molecules between young and old population have been identified by a chemometric analysis. The evolution of cutaneous hydration at the tissular, molecular and supramolecular level has also been investigated. The variations in the NMF composition and the SC water content have been studied by Raman spectral descriptors. Moreover, the structural variations of water molecules impacting the supramolecular organization of the lipid structures have been evaluated. Chronological aging and chronic exposure to environmental factors mildly affect SC barrier function and hydration levels. However, the processes controlling these properties are affected by aging in a site-dependent fashion.