Las microesferas de almidón se han convertido en un importante foco de investigación en las industrias farmacéutica, alimentaria y cosmética, valoradas por su biocompatibilidad, biodegradabilidad, no toxicidad y coste de producción relativamente bajo. Productos como Spherex™, Arista™ y EmboCept™ ya han demostrado su viabilidad comercial como vehículos de administración de fármacos, agentes hemostáticos y agentes de embolización. A medida que crece la demanda, también crece la necesidad de métodos de producción escalables y rentables. Un estudio de 2018 publicado en LWT – Food Science and Technology por Li et al. aborda este desafío directamente, presentando un método de emulsión agua en agua (W/W) para producir microesferas de almidón recristalizadas (RSM) combinado con una estrategia práctica para reciclar la fase continua de polietilenglicol (PEG).
¿Por qué utilizar el método de emulsión agua en agua?
Los métodos de emulsión convencionales para la producción de microesferas generalmente se basan en sistemas de agua en aceite (W/O), que involucran solventes orgánicos y emulsionantes químicos que plantean preocupaciones de seguridad, ambientales y regulatorias. El enfoque de emulsión W/W reemplaza la fase oleosa con una solución acuosa de PEG, creando un sistema de dos fases en el que las gotas de almidón se dispersan dentro de la fase continua de PEG. Debido a que ambas fases son a base de agua, este método es intrínsecamente más seguro y respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, el PEG es un reactivo relativamente costoso y la producción en gran volumen generaría cantidades sustanciales de residuos que contienen PEG si la solución se desechara después de cada lote. Por lo tanto, los investigadores investigaron si la solución de PEG podría recuperarse y reutilizarse de manera efectiva y cómo hacerlo.
Dos estrategias de reciclaje: DR-PEG frente a RS-PEG
El equipo probó dos rutas de recuperación. En el primero, la solución de PEG recogida después de la separación de las microesferas se utilizó directamente en el siguiente lote de producción sin ninguna modificación, denominado DR-PEG (PEG directamente reutilizado). En la segunda ruta, la solución de PEG recuperada se complementó con PEG sólido nuevo para restaurar la concentración original antes de su reutilización, lo que se conoce como RS-PEG (PEG reabastecido/suplementado).
Una herramienta analítica clave fue la relación exponencial entre la concentración de PEG y la viscosidad aparente, que los investigadores establecieron con un valor R² de 0,99. Al medir la viscosidad de la solución recuperada, pudieron calcular de forma rápida y precisa cuánto PEG se había perdido y cuánta suplementación se requirió, sin la necesidad de realizar análisis químicos complejos.
Resultados: RS-PEG supera la reutilización directa
El enfoque DR-PEG resultó problemático. Debido a que cada ciclo eliminó el almidón junto con algo de PEG, la concentración de PEG en la solución recuperada disminuyó constantemente. Esto provocó que el rendimiento de los RSM cayera entre un 0,7% y un 11,9% en los ciclos sucesivos. Más significativamente, se observó aglutinación y aglomeración de microesferas en el primer y segundo lote de reciclaje, un resultado que sería inaceptable en aplicaciones farmacéuticas o de calidad alimentaria.
El método RS-PEG produjo resultados considerablemente mejores. Al mantener una concentración constante de PEG (aproximadamente 331–334 g·kg⁻¹) mediante suplementación específica, el método no solo evitó la aglomeración en los cinco ciclos probados, sino que en realidad aumentó el rendimiento del 78,2 % en el lote inicial a más del 83 % en el cuarto reciclaje, estabilizándose en alrededor del 83 % a partir de entonces. La mejora se atribuye a la acumulación progresiva de moléculas de almidón en la solución de PEG reciclada. A medida que aumenta el almidón residual en la fase continua, el gradiente de concentración que impulsa la migración del almidón fuera de las gotitas dispersas disminuye, lo que significa que se retiene más almidón dentro de las gotitas y, finalmente, se convierte en microesferas.
La microscopía electrónica de barrido (SEM) confirmó que los RSM producidos con una solución RS-PEG conservaban su morfología esférica y su naturaleza bien dispersa en los cinco reciclados. El análisis de difracción de rayos X (DRX) mostró además que la estructura cristalina característica de tipo B (con picos de difracción de aproximadamente 5,5°, 17°, 22° y 24°) seguía siendo idéntica a la de las microesferas producidas con PEG fresco, lo que confirma que el reciclaje no tuvo ningún efecto adverso sobre la calidad cristalina.
Implicaciones prácticas
Este estudio establece que el PEG se puede reciclar varias veces en la producción de emulsión W/W de RSM sin comprometer la calidad del producto, siempre que la concentración se controle y se restablezca entre ciclos. El método de estimación de la concentración basado en la viscosidad ofrece un enfoque analítico sencillo y de bajo costo adecuado para entornos prácticos de fabricación. Los hallazgos contribuyen significativamente a reducir tanto el costo del material como la huella ambiental de la producción de RSM. Sin embargo, los autores señalan que aún no se han caracterizado la capacidad de carga del fármaco y el rendimiento de liberación controlada de los RSM producidos mediante el método RS-PEG, un área importante para investigaciones futuras antes de que estas microesferas puedan evaluarse completamente para aplicaciones farmacéuticas específicas.