Zetmeelmicrosferen zijn een belangrijke onderzoeksfocus geworden in de farmaceutische, voedings- en cosmetische industrie, en worden gewaardeerd vanwege hun biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid, niet-toxiciteit en relatief lage productiekosten. Producten zoals Spherex™, Arista™ en EmboCept™ hebben hun commerciële levensvatbaarheid als medicijnafgiftemiddelen, hemostatische middelen en embolisatiemiddelen al aangetoond. Naarmate de vraag groeit, groeit ook de behoefte aan schaalbare en kostenefficiënte productiemethoden. Een studie uit 2018 gepubliceerd in LWT – Food Science and Technology door Li et al. pakt deze uitdaging direct aan door een water-in-water (W/W)-emulsiemethode te presenteren voor de productie van herkristalliseerde zetmeelmicrosferen (RSM's), gecombineerd met een praktische strategie voor het recyclen van de continue fase van polyethyleenglycol (PEG).
Waarom de water-in-water-emulsiemethode?
Conventionele emulsiemethoden voor de productie van microbolletjes zijn doorgaans afhankelijk van water-in-olie (W/O)-systemen, waarbij organische oplosmiddelen en chemische emulgatoren betrokken zijn, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over de veiligheid, het milieu en de regelgeving. De W/W-emulsiebenadering vervangt de oliefase door een waterige PEG-oplossing, waardoor een tweefasensysteem ontstaat waarin zetmeeldruppeltjes worden gedispergeerd in de continue PEG-fase. Omdat beide fasen op waterbasis zijn, is deze methode inherent veiliger en milieuvriendelijker. PEG is echter een relatief kostbaar reagens, en productie in grote volumes zou aanzienlijke hoeveelheden PEG-bevattend afval genereren als de oplossing na elke batch zou worden weggegooid. De onderzoekers onderzochten daarom of en hoe de PEG-oplossing effectief kon worden teruggewonnen en hergebruikt.
Twee recyclingstrategieën: DR-PEG versus RS-PEG
Het team testte twee herstelroutes. In het eerste geval werd de PEG-oplossing die werd verzameld na de scheiding van microbolletjes, zonder enige wijziging direct in de volgende productiebatch gebruikt, ook wel DR-PEG genoemd (direct hergebruikt PEG). Bij de tweede route werd de teruggewonnen PEG-oplossing aangevuld met vers vast PEG om de oorspronkelijke concentratie vóór hergebruik te herstellen – dit wordt RS-PEG (replenished/supplemented PEG) genoemd.
Een belangrijk analytisch hulpmiddel was de exponentiële relatie tussen PEG-concentratie en schijnbare viscositeit, die de onderzoekers vaststelden met een R²-waarde van 0,99. Door de viscositeit van de teruggewonnen oplossing te meten, konden ze snel en nauwkeurig berekenen hoeveel PEG verloren was gegaan en hoeveel suppletie nodig was, zonder de noodzaak van complexe chemische analyses.
Resultaten: RS-PEG presteert beter dan direct hergebruik
De DR-PEG-aanpak bleek problematisch. Omdat elke cyclus zetmeel samen met een beetje PEG verwijderde, nam de PEG-concentratie in de teruggewonnen oplossing gestaag af. Dit zorgde ervoor dat de opbrengst aan RSM's bij opeenvolgende recycling met 0,7% -11,9% daalde. Belangrijker nog was dat er klontering en agglomeratie van microsferen werd waargenomen in de eerste en tweede recyclingbatch – een resultaat dat onaanvaardbaar zou zijn in farmaceutische of voedselveilige toepassingen.
De RS-PEG-aanpak leverde aanzienlijk betere resultaten op. Door een consistente PEG-concentratie (ongeveer 331–334 g·kg⁻¹) te handhaven door gerichte suppletie, voorkwam de methode niet alleen agglomeratie in alle vijf geteste cycli, maar verhoogde de opbrengst zelfs van 78,2% in de basisbatch tot boven 83% bij de vierde recycling, en stabiliseerde zich daarna op ongeveer 83%. De verbetering wordt toegeschreven aan de progressieve accumulatie van zetmeelmoleculen in de gerecyclede PEG-oplossing. Naarmate het resterende zetmeel in de continue fase toeneemt, neemt de concentratiegradiënt die de zetmeelmigratie uit de gedispergeerde druppeltjes aanstuurt af, wat betekent dat er meer zetmeel in de druppels wordt vastgehouden en uiteindelijk wordt omgezet in microsferen.
Rasterelektronenmicroscopie (SEM) bevestigde dat RSM's geproduceerd met behulp van de RS-PEG-oplossing hun sferische morfologie en goed verspreide aard over alle vijf recycles behielden. Röntgendiffractie (XRD)-analyse toonde verder aan dat de karakteristieke kristallijne structuur van het B-type – met diffractiepieken bij ongeveer 5,5°, 17°, 22° en 24° – identiek bleef aan die van microsferen geproduceerd met verse PEG, wat bevestigde dat recycling geen nadelig effect had op de kristallijne kwaliteit.
Praktische implicaties
Deze studie stelt vast dat PEG meerdere keren kan worden gerecycled bij de W/W-emulsieproductie van RSM's zonder de productkwaliteit in gevaar te brengen, op voorwaarde dat de concentratie tussen de cycli wordt gecontroleerd en hersteld. De op viscositeit gebaseerde concentratieschattingsmethode biedt een eenvoudige, goedkope analytische benadering die geschikt is voor praktische productieomgevingen. De bevindingen dragen op betekenisvolle wijze bij aan het verminderen van zowel de materiaalkosten als de ecologische voetafdruk van de RSM-productie. De auteurs merken echter op dat de medicijnlaadcapaciteit en de gecontroleerde afgifteprestaties van RSM's geproduceerd via de RS-PEG-methode nog moeten worden gekarakteriseerd – een belangrijk gebied voor toekomstig onderzoek voordat deze microsferen volledig kunnen worden geëvalueerd voor specifieke farmaceutische toepassingen.