Les microsphères d'amidon sont devenues un axe de recherche important dans les industries pharmaceutique, alimentaire et cosmétique, appréciées pour leur biocompatibilité, leur biodégradabilité, leur non-toxicité et leur coût de production relativement faible. Des produits tels que Spherex™, Arista™ et EmboCept™ ont déjà démontré leur viabilité commerciale en tant que véhicules d'administration de médicaments, agents hémostatiques et agents d'embolisation. À mesure que la demande augmente, le besoin de méthodes de production évolutives et rentables augmente également. Une étude de 2018 publiée dans LWT – Food Science and Technology par Li et al. relève directement ce défi, en présentant une méthode d'émulsion eau dans eau (E/E) pour produire des microsphères d'amidon recristallisé (RSM) combinée à une stratégie pratique pour recycler la phase continue de polyéthylène glycol (PEG).
Pourquoi la méthode d’émulsion eau dans eau ?
Les méthodes d'émulsion conventionnelles pour la production de microsphères reposent généralement sur des systèmes eau dans huile (E/H), qui impliquent des solvants organiques et des émulsifiants chimiques qui soulèvent des préoccupations en matière de sécurité, d'environnement et de réglementation. L'approche d'émulsion E/E remplace la phase huileuse par une solution aqueuse de PEG, créant ainsi un système à deux phases dans lequel les gouttelettes d'amidon sont dispersées au sein de la phase continue de PEG. Étant donné que les deux phases sont à base d’eau, cette méthode est intrinsèquement plus sûre et plus respectueuse de l’environnement. Cependant, le PEG est un réactif relativement coûteux, et une production en grand volume générerait des quantités substantielles de déchets contenant du PEG si la solution était jetée après chaque lot. Les chercheurs ont donc étudié si et comment la solution de PEG pouvait être récupérée et réutilisée efficacement.
Deux stratégies de recyclage : DR-PEG vs RS-PEG
L'équipe a testé deux voies de récupération. Dans la première, la solution de PEG collectée après séparation des microsphères était utilisée directement dans le lot de production suivant sans aucune modification – appelée DR-PEG (PEG directement réutilisé). Dans la deuxième voie, la solution de PEG récupérée a été complétée par du PEG solide frais pour restaurer la concentration d'origine avant réutilisation – appelé RS-PEG (PEG réapprovisionné/supplémenté).
Un outil analytique clé était la relation exponentielle entre la concentration de PEG et la viscosité apparente, que les chercheurs ont établie avec une valeur R² de 0,99. En mesurant la viscosité de la solution récupérée, ils ont pu calculer rapidement et précisément la quantité de PEG perdue et la quantité de supplémentation nécessaire, sans avoir recours à une analyse chimique complexe.
Résultats : le RS-PEG surpasse la réutilisation directe
L'approche DR-PEG s'est avérée problématique. Étant donné que chaque cycle éliminait l'amidon ainsi qu'un peu de PEG, la concentration de PEG dans la solution récupérée diminuait régulièrement. Cela a entraîné une baisse du rendement des RSM de 0,7 à 11,9 % au cours des recyclages successifs. Plus important encore, un agglomération et une agglomération de microsphères ont été observées dans les premier et deuxième lots de recyclage, un résultat qui serait inacceptable dans les applications pharmaceutiques ou alimentaires.
L’approche RS-PEG a donné des résultats considérablement meilleurs. En maintenant une concentration constante de PEG (environ 331 à 334 g·kg⁻¹) grâce à une supplémentation ciblée, la méthode a non seulement évité l'agglomération au cours des cinq cycles testés, mais a en fait augmenté le rendement de 78,2 % dans le lot de référence à plus de 83 % au quatrième recyclage, se stabilisant à environ 83 % par la suite. L'amélioration est attribuée à l'accumulation progressive de molécules d'amidon dans la solution de PEG recyclée. À mesure que l'amidon résiduel dans la phase continue augmente, le gradient de concentration entraînant la migration de l'amidon hors des gouttelettes dispersées diminue, ce qui signifie que davantage d'amidon est retenu dans les gouttelettes et finalement converti en microsphères.
La microscopie électronique à balayage (MEB) a confirmé que les RSM produits à l'aide de la solution RS-PEG conservaient leur morphologie sphérique et leur nature bien dispersée dans les cinq recyclages. L'analyse par diffraction des rayons X (DRX) a en outre montré que la structure cristalline caractéristique de type B - avec des pics de diffraction à environ 5,5°, 17°, 22° et 24° - restait identique à celle des microsphères produites avec du PEG frais, confirmant que le recyclage n'avait aucun effet négatif sur la qualité cristalline.
Implications pratiques
Cette étude établit que le PEG peut être recyclé plusieurs fois dans la production d'émulsion E/E de RSM sans compromettre la qualité du produit, à condition que la concentration soit surveillée et restaurée entre les cycles. La méthode d’estimation de la concentration basée sur la viscosité offre une approche analytique simple et peu coûteuse adaptée aux environnements de fabrication pratiques. Les résultats contribuent de manière significative à réduire à la fois le coût des matériaux et l’empreinte environnementale de la production de RSM. Les auteurs notent cependant que la capacité de chargement des médicaments et les performances de libération contrôlée des RSM produits via la méthode RS-PEG restent à caractériser – un domaine important pour de futures recherches avant que ces microsphères puissent être pleinement évaluées pour des applications pharmaceutiques spécifiques.