デンプンマイクロスフェアは、その生体適合性、生分解性、非毒性、および比較的低い製造コストが評価され、製薬、食品、化粧品業界全体で重要な研究の焦点となっています。 Spherex™、Arista™、EmboCept™ などの製品は、ドラッグデリバリービヒクル、止血剤、塞栓剤としての商業的実現可能性をすでに実証しています。需要が高まるにつれて、拡張可能でコスト効率の高い生産方法の必要性も高まります。 Liらによる2018年の研究がLWT – Food Science and Technologyに掲載されました。は、この課題に直接対処し、再結晶化デンプン微小球 (RSM) を製造するための水中水型 (W/W) エマルション方法と、ポリエチレン グリコール (PEG) 連続相をリサイクルするための実用的な戦略を組み合わせました。
なぜ水中水型エマルジョン法を採用するのか?
マイクロスフェアを製造するための従来のエマルジョン方法は通常、油中水（W/O）システムに依存しており、安全性、環境、規制上の懸念を引き起こす有機溶媒と化学乳化剤が含まれます。 W/W エマルション手法では、油相を PEG 水溶液に置き換え、デンプン液滴が PEG 連続相内に分散する二相系を作成します。どちらの相も水ベースであるため、この方法は本質的に安全で環境に優しい方法です。しかし、PEG は比較的高価な試薬であり、大量生産では、各バッチ後に溶液が廃棄されると、かなりの量の PEG 含有廃棄物が生成されます。そこで研究者らは、PEG 溶液を効果的に回収して再利用できるかどうか、またその方法を調査しました。
2 つのリサイクル戦略: DR-PEG 対 RS-PEG
チームは 2 つの回復ルートをテストしました。 1 つ目では、ミクロスフェアの分離後に収集された PEG 溶液が、何の変更も加えずに次の製造バッチで直接使用されました。これを DR-PEG (直接再利用 PEG) と呼びます。 2 番目のルートでは、回収した PEG 溶液に新鮮な固体 PEG を補充して、再使用前の元の濃度に戻しました。これを RS-PEG (補充/補充 PEG) と呼びます。
重要な分析ツールは、PEG 濃度と見かけの粘度の間の指数関数的な関係であり、研究者らはこれを R² 値 0.99 で確立しました。回収した溶液の粘度を測定することで、複雑な化学分析を必要とせずに、どのくらいのPEGが失われたのか、どのくらいの補充が必要なのかを迅速かつ正確に計算することができました。
結果: RS-PEG は直接再利用よりも優れたパフォーマンスを発揮します
DR-PEG アプローチには問題があることが判明しました。各サイクルでデンプンが一部の PEG とともに除去されるため、回収溶液中の PEG 濃度は着実に減少しました。これにより、連続したリサイクルで RSM の収率が 0.7% ～ 11.9% 低下しました。さらに重要なことは、1 回目と 2 回目のリサイクル バッチで微小球の凝集と凝集が観察されたことです。これは医薬品や食品グレードの用途では容認できない結果です。
RS-PEG アプローチは、かなり優れた結果をもたらしました。標的を絞った補給を通じて一貫したPEG濃度（約331〜334 g・kg-1）を維持することにより、この方法はテストした5つのサイクルすべてで凝集を回避しただけでなく、実際に収率をベースラインバッチの78.2%から4回目のリサイクルまでに83%以上に増加させ、その後は約83%で安定しました。この改善は、リサイクルされた PEG 溶液中のデンプン分子の漸進的な蓄積に起因すると考えられます。連続相中の残留デンプンが増加すると、分散した液滴からデンプンを移動させる濃度勾配が減少します。これは、より多くのデンプンが液滴内に保持され、最終的に微小球に変換されることを意味します。
走査型電子顕微鏡 (SEM) により、RS-PEG 溶液を使用して生成された RSM が 5 回のリサイクルすべてにわたって球状形態と十分に分散した性質を保持していることが確認されました。さらに、X 線回折 (XRD) 分析により、約 5.5°、17°、22°、および 24° に回折ピークを持つ特徴的な B タイプの結晶構造が、新鮮な PEG で製造されたマイクロスフェアの構造と同一のままであることが示され、リサイクルが結晶品質に悪影響を及ぼさないことが確認されました。
実際的な意味
この研究は、濃度を監視し、サイクル間で濃度を回復すれば、製品の品質を損なうことなく、RSM の W/W エマルジョン製造において PEG を複数回リサイクルできることを証明しました。粘度に基づく濃度推定法は、実際の製造環境に適した簡単で低コストの分析アプローチを提供します。この発見は、RSM 製造の材料コストと環境フットプリントの両方の削減に有意義に貢献します。しかしながら、著者らは、RS-PEG法によって製造されたRSMの薬物充填能力と放出制御性能はまだ特徴付けられていないと指摘しており、これらのマイクロスフェアが特定の医薬品用途について完全に評価される前に、今後の研究が重要な領域であるとしている。