Οι μικροσφαίρες αμύλου έχουν γίνει ένα σημαντικό ερευνητικό επίκεντρο στις βιομηχανίες φαρμάκων, τροφίμων και καλλυντικών, που εκτιμώνται για τη βιοσυμβατότητα, τη βιοδιασπασιμότητα, τη μη τοξικότητα και το σχετικά χαμηλό κόστος παραγωγής τους. Προϊόντα όπως τα Spherex™, Arista™ και EmboCept™ έχουν ήδη αποδείξει την εμπορική τους βιωσιμότητα ως οχήματα χορήγησης φαρμάκων, αιμοστατικοί παράγοντες και παράγοντες εμβολισμού. Καθώς αυξάνεται η ζήτηση, αυξάνεται και η ανάγκη για επεκτάσιμες και οικονομικά αποδοτικές μεθόδους παραγωγής. Μια μελέτη του 2018 που δημοσιεύτηκε στο LWT – Food Science and Technology από τους Li et al. αντιμετωπίζει άμεσα αυτήν την πρόκληση, παρουσιάζοντας μια μέθοδο γαλακτώματος νερό σε νερό (W/W) για την παραγωγή μικροσφαιρών ανακρυσταλλωμένου αμύλου (RSMs) σε συνδυασμό με μια πρακτική στρατηγική για την ανακύκλωση της συνεχούς φάσης πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG).
Γιατί η μέθοδος γαλακτώματος νερό σε νερό;
Οι συμβατικές μέθοδοι γαλακτώματος για την παραγωγή μικροσφαιρών βασίζονται συνήθως σε συστήματα νερό σε λάδι (W/O), τα οποία περιλαμβάνουν οργανικούς διαλύτες και χημικούς γαλακτωματοποιητές που εγείρουν ανησυχίες για την ασφάλεια, το περιβάλλον και τις κανονιστικές ρυθμίσεις. Η προσέγγιση του γαλακτώματος W/W αντικαθιστά την ελαιώδη φάση με ένα υδατικό διάλυμα PEG, δημιουργώντας ένα σύστημα δύο φάσεων στο οποίο τα σταγονίδια αμύλου διασκορπίζονται εντός της συνεχούς φάσης PEG. Επειδή και οι δύο φάσεις είναι με βάση το νερό, αυτή η μέθοδος είναι εγγενώς ασφαλέστερη και πιο φιλική προς το περιβάλλον. Ωστόσο, το PEG είναι ένα σχετικά δαπανηρό αντιδραστήριο και η παραγωγή μεγάλου όγκου θα δημιουργούσε σημαντικές ποσότητες αποβλήτων που περιέχουν PEG εάν το διάλυμα απορριφόταν μετά από κάθε παρτίδα. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές διερεύνησαν εάν και πώς το διάλυμα PEG θα μπορούσε να ανακτηθεί αποτελεσματικά και να επαναχρησιμοποιηθεί.
Δύο στρατηγικές ανακύκλωσης: DR-PEG έναντι RS-PEG
Η ομάδα δοκίμασε δύο διαδρομές ανάκαμψης. Στην πρώτη, το διάλυμα PEG που συλλέχθηκε μετά από διαχωρισμό μικροσφαιρών χρησιμοποιήθηκε απευθείας στην επόμενη παρτίδα παραγωγής χωρίς καμία τροποποίηση — που αναφέρεται ως DR-PEG (άμεσα επαναχρησιμοποιούμενο PEG). Στη δεύτερη οδό, το ανακτηθέν διάλυμα PEG συμπληρώθηκε με φρέσκο στερεό PEG για να αποκατασταθεί η αρχική συγκέντρωση πριν από την επαναχρησιμοποίηση — που αναφέρεται ως RS-PEG (αναπληρωμένο/συμπληρωμένο PEG).
Ένα βασικό αναλυτικό εργαλείο ήταν η εκθετική σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης PEG και του φαινομένου ιξώδους, την οποία οι ερευνητές καθόρισαν με τιμή R² 0,99. Μετρώντας το ιξώδες του ανακτημένου διαλύματος, μπορούσαν γρήγορα και με ακρίβεια να υπολογίσουν πόση ποσότητα PEG είχε χαθεί και πόση συμπλήρωση απαιτούνταν, χωρίς να απαιτείται πολύπλοκη χημική ανάλυση.
Αποτελέσματα: Το RS-PEG ξεπερνά την άμεση επαναχρησιμοποίηση
Η προσέγγιση DR-PEG αποδείχθηκε προβληματική. Επειδή κάθε κύκλος αφαιρούσε το άμυλο μαζί με κάποιο PEG, η συγκέντρωση PEG στο ανακτηθέν διάλυμα μειώνονταν σταθερά. Αυτό προκάλεσε πτώση της απόδοσης των RSM κατά 0,7%-11,9% σε διαδοχικές ανακυκλώσεις. Πιο σημαντικά, η συσσώρευση και η συσσωμάτωση μικροσφαιρών παρατηρήθηκε στην πρώτη και τη δεύτερη παρτίδα ανακύκλωσης - ένα αποτέλεσμα που θα ήταν απαράδεκτο σε φαρμακευτικές εφαρμογές ή εφαρμογές ποιότητας τροφίμων.
Η προσέγγιση RS-PEG έδωσε σημαντικά καλύτερα αποτελέσματα. Διατηρώντας μια σταθερή συγκέντρωση PEG (περίπου 331-334 g·kg-1) μέσω στοχευμένης συμπλήρωσης, η μέθοδος όχι μόνο απέφυγε τη συσσωμάτωση και στους πέντε δοκιμασμένους κύκλους αλλά στην πραγματικότητα αύξησε την απόδοση από 78,2% στην αρχική παρτίδα σε πάνω από 83% έως την τέταρτη ανακύκλωση, σταθεροποιώντας στη συνέχεια περίπου στο 83%. Η βελτίωση αποδίδεται στην προοδευτική συσσώρευση μορίων αμύλου στο ανακυκλωμένο διάλυμα PEG. Καθώς το υπολειμματικό άμυλο στη συνεχή φάση αυξάνεται, η βαθμίδα συγκέντρωσης που οδηγεί τη μετανάστευση αμύλου έξω από τα διεσπαρμένα σταγονίδια μειώνεται, που σημαίνει ότι περισσότερο άμυλο διατηρείται μέσα στα σταγονίδια και τελικά μετατρέπεται σε μικροσφαίρες.
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) επιβεβαίωσε ότι τα RSM που παράγονται με χρήση διαλύματος RS-PEG διατήρησαν τη σφαιρική τους μορφολογία και τη φύση τους καλά διασκορπισμένη και στις πέντε ανακυκλώσεις. Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) έδειξε περαιτέρω ότι η χαρακτηριστική κρυσταλλική δομή τύπου Β - με κορυφές περίθλασης περίπου στις 5,5°, 17°, 22° και 24° - παρέμεινε πανομοιότυπη με αυτή των μικροσφαιρών που παράγονται με φρέσκο PEG, επιβεβαιώνοντας ότι η ανακύκλωση δεν είχε αρνητική επίδραση στην κρυσταλλική ποιότητα.
Πρακτικές Επιπτώσεις
Αυτή η μελέτη αποδεικνύει ότι το PEG μπορεί να ανακυκλωθεί πολλές φορές στην παραγωγή γαλακτώματος W/W των RSM χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα του προϊόντος, υπό την προϋπόθεση ότι η συγκέντρωση παρακολουθείται και αποκαθίσταται μεταξύ των κύκλων. Η μέθοδος εκτίμησης της συγκέντρωσης με βάση το ιξώδες προσφέρει μια απλή, χαμηλού κόστους αναλυτική προσέγγιση κατάλληλη για πρακτικές ρυθμίσεις κατασκευής. Τα ευρήματα συμβάλλουν ουσιαστικά στη μείωση τόσο του κόστους υλικού όσο και του περιβαλλοντικού αποτυπώματος της παραγωγής RSM. Οι συγγραφείς σημειώνουν, ωστόσο, ότι η ικανότητα φόρτωσης φαρμάκου και η απόδοση ελεγχόμενης απελευθέρωσης των RSMs που παράγονται μέσω της μεθόδου RS-PEG πρέπει να χαρακτηριστούν - ένας σημαντικός τομέας για μελλοντική έρευνα προτού αυτές οι μικροσφαίρες μπορούν να αξιολογηθούν πλήρως για συγκεκριμένες φαρμακευτικές εφαρμογές.