Soft matter viscoelasticity and its interactions with skin

Foresee the sensation produced by multiphase materials like creams, gels or emulsions, as early as they are designed, is at stake for cosmetic industry, inter alia, as it considerably fosters innovation. This prediction implies the resort to new measurement devices which are effective enough to be able to characterize multi-physical and multi-scale interactions (between product components and with product environment). It also entails the identification of typical physical quantities linking the instrumental study with data extracted from sensory analysis based on expert panel. To reach those objectives, this thesis manuscript exposes the update of a microrheological experimental set-up using a thickness shear mode ultrasonic transducer (TSM) and which can embark a human skin explant maintained in survival conditions. Besides the retrieving, thanks to the TSM, of physical quantities representative of products intrinsic interactions, the ex vivo biosensor aims to study skin/product interactions, which are supposed to be the perceived sensations roots. Because the viscoelastic estimation is performed with conditions close to real-world ones, coupling measurements derived from both sensors should allow an organoleptic characterization more objective and less skewed than usual instrumented sensory analysis studies. A new viscoelastic model relying on fractional derivative calculus has been phrased into equations to process microrheological data. In addition to the model relevance for studying complex fluids (non-Newtonian), its ability to sum physical quantities over microscopic and mesoscopic scales permit to work with materials ranging from perfect fluids to strong gels, as well as tissues with similar structures like skin layers. With sensory analysis as a final perspective, the link between these characterizations and the macroscopic scale of human perception will be discussed to find the physical signatures of sensory descriptors.
Prévoir la sensation, dès leur conception, que procurent les produits multiphasiques tels que les crèmes, les gels ou les émulsions, est un enjeu industriel vecteur d’innovation important notamment en cosmétique. Cette prédiction suppose l’utilisation de nouveaux instruments de mesure suffisamment performants pour être capables d’analyser les interactions multiphysiques à toutes les échelles. Elle suppose également d’extraire des grandeurs caractéristiques reliant l’analyse faite par ces instruments aux données d’analyse sensorielle issue de panels experts. Ce manuscrit expose l’adaptation d’un capteur ultrasonore à ondes de cisaillement (TSM), implantable sur des explants de peau humaine maintenus en survie, pour y parvenir. Outre l’extraction de grandeurs représentatives des interactions intrinsèques des produits à partir des propriétés microrhéologiques obtenues avec le TSM, le développement du biocapteur ex vivo a pour objectif l’étude des interactions produit/peau, sources des sensations perçues. Par l’étude de la viscoélasticité dans des conditions proches de la réalité, le couplage des mesures des deux capteurs vise une caractérisation organoleptique plus objective, c’est-à-dire limitant les biais classiques de l’analyse sensorielle instrumentée. Un nouveau modèle viscoélastique aux dérivées fractionnaires a été utilisé à cet effet. En plus de la pertinence de ce modèle pour caractériser des fluides complexes (non newtoniens), sa capacité à intégrer des grandeurs caractéristiques de l’échelle microscopique à l’échelle mésoscopique permet d’étudier une gamme de matériaux s’étendant des fluides parfaits aux gels particulièrement structurés ainsi qu’à des conformations comparables comme les différentes couches de la peau. Dans une perspective finale d’analyse sensorielle instrumentée, un lien avec les échelles macroscopiques liées à la perception humaine est proposé afin de corréler les signatures physiques aux descripteurs permettant le profilage des produits cosmétiques.