أصبحت كريات النشا المجهرية محورًا بحثيًا مهمًا عبر الصناعات الدوائية والغذائية ومستحضرات التجميل، حيث يتم تقدير قيمتها لتوافقها الحيوي وقابليتها للتحلل البيولوجي وعدم سميتها وتكلفة الإنتاج المنخفضة نسبيًا. لقد أثبتت منتجات مثل Spherex™، وArista™، وEmboCept™ بالفعل جدواها التجارية كمركبات توصيل الأدوية، وعوامل تخثر الدم، وعوامل الانصمام. ومع تزايد الطلب، تزداد الحاجة إلى أساليب إنتاج قابلة للتطوير وفعالة من حيث التكلفة. دراسة عام 2018 نشرت في LWT – علوم وتكنولوجيا الأغذية من قبل لي وآخرون. يعالج هذا التحدي مباشرة، ويقدم طريقة مستحلب الماء في الماء (W/W) لإنتاج كريات النشا المعاد بلورتها (RSMs) مقترنة باستراتيجية عملية لإعادة تدوير المرحلة المستمرة من البولي إيثيلين جلايكول (PEG).
لماذا طريقة مستحلب الماء في الماء؟
تعتمد طرق المستحلب التقليدية لإنتاج الغلاف الميكروي عادةً على أنظمة الماء في الزيت (W/O)، والتي تتضمن المذيبات العضوية والمستحلبات الكيميائية التي تثير مخاوف تتعلق بالسلامة والبيئة والمخاوف التنظيمية. يستبدل نهج مستحلب W/W مرحلة الزيت بمحلول PEG مائي، مما يؤدي إلى إنشاء نظام من مرحلتين يتم فيه تشتيت قطرات النشا داخل مرحلة PEG المستمرة. ونظرًا لأن كلا المرحلتين تعتمدان على الماء، فإن هذه الطريقة أكثر أمانًا وصديقة للبيئة بطبيعتها. ومع ذلك، PEG هو كاشف مكلف نسبيًا، والإنتاج بكميات كبيرة من شأنه أن يولد كميات كبيرة من النفايات المحتوية على PEG إذا تم التخلص من المحلول بعد كل دفعة. لذلك قام الباحثون بالتحقيق فيما إذا كان من الممكن استعادة محلول PEG وإعادة استخدامه بشكل فعال وكيفية ذلك.
استراتيجيتان لإعادة التدوير: DR-PEG مقابل RS-PEG
اختبر الفريق طريقتين للتعافي. في الحالة الأولى، تم استخدام محلول PEG الذي تم جمعه بعد فصل الغلاف الميكروي مباشرة في دفعة الإنتاج التالية دون أي تعديل - يشار إليه باسم DR-PEG (PEG المعاد استخدامه مباشرة). في المسار الثاني، تمت إضافة محلول PEG المستعاد إلى PEG الصلب الطازج لاستعادة التركيز الأصلي قبل إعادة الاستخدام - يشار إليه باسم RS-PEG (PEG المتجدد/المكمل).
كانت إحدى الأدوات التحليلية الرئيسية هي العلاقة الأسية بين تركيز PEG واللزوجة الظاهرة، والتي أنشأها الباحثون بقيمة R² تبلغ 0.99. ومن خلال قياس لزوجة المحلول المسترد، تمكنوا بسرعة ودقة من حساب مقدار PEG المفقود ومقدار المكملات المطلوبة، دون الحاجة إلى تحليل كيميائي معقد.
النتائج: يتفوق RS-PEG على إعادة الاستخدام المباشر
أثبت نهج DR-PEG أنه يمثل مشكلة. نظرًا لأن كل دورة تزيل النشا مع بعض PEG، انخفض تركيز PEG في المحلول المستعاد بشكل مطرد. وقد تسبب هذا في انخفاض إنتاج RSMs بنسبة 0.7% إلى 11.9% عبر عمليات إعادة التدوير المتعاقبة. والأهم من ذلك، أنه تمت ملاحظة تكتل وتكتل الكريات المجهرية في دفعتي إعادة التدوير الأولى والثانية، وهي نتيجة قد تكون غير مقبولة في التطبيقات الصيدلانية أو الغذائية.
حقق نهج RS-PEG نتائج أفضل بكثير. من خلال الحفاظ على تركيز PEG ثابت (حوالي 331-334 جم·كجم⁻¹) من خلال المكملات المستهدفة، لم تتجنب الطريقة التكتل عبر جميع الدورات الخمس التي تم اختبارها فحسب، بل زادت بالفعل الإنتاج من 78.2% في الدفعة الأساسية إلى ما يزيد عن 83% بحلول إعادة التدوير الرابعة، واستقرت عند حوالي 83% بعد ذلك. ويعزى التحسن إلى التراكم التدريجي لجزيئات النشا في محلول PEG المعاد تدويره. مع زيادة النشا المتبقي في الطور المستمر، يتناقص تدرج التركيز الذي يدفع هجرة النشا من القطرات المشتتة، مما يعني الاحتفاظ بمزيد من النشا داخل القطرات وتحويلها في النهاية إلى كريات مجهرية.
أكد الفحص المجهري الإلكتروني (SEM) أن RSMs المنتجة باستخدام محلول RS-PEG احتفظت بمورفولوجيتها الكروية وطبيعتها المشتتة جيدًا عبر جميع عمليات إعادة التدوير الخمس. وأظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أيضًا أن البنية البلورية المميزة من النوع B - مع قمم الحيود عند حوالي 5.5 درجة، و17 درجة، و22 درجة، و24 درجة - ظلت مماثلة لتلك الموجودة في الكريات المجهرية المنتجة باستخدام PEG الطازج، مما يؤكد أن إعادة التدوير لم يكن لها أي تأثير سلبي على الجودة البلورية.
الآثار العملية
تثبت هذه الدراسة أنه يمكن إعادة تدوير PEG عدة مرات في إنتاج مستحلب W/W لـ RSMs دون المساس بجودة المنتج، بشرط مراقبة التركيز واستعادته بين الدورات. توفر طريقة تقدير التركيز القائمة على اللزوجة نهجًا تحليليًا مباشرًا ومنخفض التكلفة ومناسبًا لإعدادات التصنيع العملية. تساهم النتائج بشكل مفيد في تقليل تكلفة المواد والبصمة البيئية لإنتاج RSM. ومع ذلك، لاحظ المؤلفون أن قدرة تحميل الدواء وأداء الإطلاق المتحكم فيه لـ RSMs المنتجة عبر طريقة RS-PEG لا يزال يتعين تحديدهما، وهو مجال مهم للبحث المستقبلي قبل أن يتم تقييم هذه الكرات المجهرية بشكل كامل لتطبيقات صيدلانية محددة.