Le microsfere di amido sono diventate un importante obiettivo di ricerca nelle industrie farmaceutiche, alimentari e cosmetiche, apprezzate per la loro biocompatibilità, biodegradabilità, non tossicità e costi di produzione relativamente bassi. Prodotti come Spherex™, Arista™ ed EmboCept™ hanno già dimostrato la loro fattibilità commerciale come veicoli per la somministrazione di farmaci, agenti emostatici e agenti di embolizzazione. Con la crescita della domanda, cresce anche la necessità di metodi di produzione scalabili ed efficienti in termini di costi. Uno studio del 2018 pubblicato su LWT – Food Science and Technology di Li et al. affronta direttamente questa sfida, presentando un metodo di emulsione acqua in acqua (W/W) per la produzione di microsfere di amido ricristallizzato (RSM) combinato con una strategia pratica per riciclare la fase continua del glicole polietilenico (PEG).
Perché il metodo dell'emulsione acqua in acqua?
I metodi convenzionali di emulsione per la produzione di microsfere si basano tipicamente su sistemi acqua in olio (W/O), che coinvolgono solventi organici ed emulsionanti chimici che sollevano problemi di sicurezza, ambientali e normativi. L'approccio dell'emulsione A/A sostituisce la fase oleosa con una soluzione acquosa di PEG, creando un sistema a due fasi in cui le goccioline di amido vengono disperse all'interno della fase continua del PEG. Poiché entrambe le fasi sono a base di acqua, questo metodo è intrinsecamente più sicuro e più rispettoso dell’ambiente. Tuttavia, il PEG è un reagente relativamente costoso e la produzione in grandi volumi genererebbe notevoli quantità di rifiuti contenenti PEG se la soluzione venisse scartata dopo ogni lotto. I ricercatori hanno quindi studiato se e come la soluzione PEG potesse essere recuperata e riutilizzata in modo efficace.
Due strategie di riciclaggio: DR-PEG vs. RS-PEG
Il team ha testato due percorsi di recupero. Nel primo, la soluzione PEG raccolta dopo la separazione delle microsfere è stata utilizzata direttamente nel lotto di produzione successivo senza alcuna modifica, denominata DR-PEG (PEG direttamente riutilizzato). Nel secondo percorso, la soluzione di PEG recuperata è stata integrata con PEG solido fresco per ripristinare la concentrazione originale prima del riutilizzo, denominato RS-PEG (PEG reintegrato/integrato).
Uno strumento analitico chiave è stata la relazione esponenziale tra la concentrazione di PEG e la viscosità apparente, che i ricercatori hanno stabilito con un valore R² di 0,99. Misurando la viscosità della soluzione recuperata, hanno potuto calcolare in modo rapido e accurato la quantità di PEG persa e la quantità di integrazione necessaria, senza la necessità di complesse analisi chimiche.
Risultati: RS-PEG supera il riutilizzo diretto
L’approccio DR-PEG si è rivelato problematico. Poiché ogni ciclo rimuoveva l'amido insieme ad una certa quantità di PEG, la concentrazione di PEG nella soluzione recuperata diminuiva costantemente. Ciò ha causato una diminuzione della resa degli RSM dello 0,7% –11,9% nei ricicli successivi. Ancora più significativo, sono stati osservati aggregati e agglomerazioni di microsfere nel primo e nel secondo lotto di riciclo, un risultato che sarebbe inaccettabile nelle applicazioni farmaceutiche o alimentari.
L'approccio RS-PEG ha prodotto risultati notevolmente migliori. Mantenendo una concentrazione costante di PEG (circa 331–334 g·kg⁻¹) attraverso un'integrazione mirata, il metodo non solo ha evitato l'agglomerazione in tutti e cinque i cicli testati, ma ha effettivamente aumentato la resa dal 78,2% nel lotto di base a oltre l'83% al quarto riciclo, stabilizzandosi successivamente a circa l'83%. Il miglioramento è attribuito al progressivo accumulo di molecole di amido nella soluzione di PEG riciclata. All’aumentare dell’amido residuo nella fase continua, il gradiente di concentrazione che guida la migrazione dell’amido dalle goccioline disperse diminuisce, il che significa che più amido viene trattenuto all’interno delle goccioline e infine convertito in microsfere.
La microscopia elettronica a scansione (SEM) ha confermato che gli RSM prodotti utilizzando la soluzione RS-PEG hanno mantenuto la loro morfologia sferica e la natura ben dispersa in tutti e cinque i ricicli. L’analisi della diffrazione dei raggi X (XRD) ha inoltre mostrato che la caratteristica struttura cristallina di tipo B – con picchi di diffrazione a circa 5,5°, 17°, 22° e 24° – è rimasta identica a quella delle microsfere prodotte con PEG fresco, confermando che il riciclaggio non ha avuto effetti negativi sulla qualità cristallina.
Implicazioni pratiche
Questo studio stabilisce che il PEG può essere riciclato più volte nella produzione dell'emulsione W/W di RSM senza compromettere la qualità del prodotto, a condizione che la concentrazione venga monitorata e ripristinata tra i cicli. Il metodo di stima della concentrazione basato sulla viscosità offre un approccio analitico semplice ed economico adatto a contesti di produzione pratici. I risultati contribuiscono in modo significativo a ridurre sia il costo dei materiali che l’impatto ambientale della produzione di RSM. Gli autori notano, tuttavia, che la capacità di caricamento dei farmaci e le prestazioni di rilascio controllato degli RSM prodotti tramite il metodo RS-PEG rimangono da caratterizzare: un'area importante per indagini future prima che queste microsfere possano essere completamente valutate per specifiche applicazioni farmaceutiche.