Mikrosfery skrobiowe stały się istotnym przedmiotem badań w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym i kosmetycznym, cenione ze względu na ich biokompatybilność, biodegradowalność, nietoksyczność i stosunkowo niskie koszty produkcji. Produkty takie jak Spherex™, Arista™ i EmboCept™ wykazały już swoją użyteczność komercyjną jako nośniki leków, środki hemostatyczne i środki embolizujące. Wraz ze wzrostem popytu rośnie zapotrzebowanie na skalowalne i opłacalne metody produkcji. Badanie z 2018 r. opublikowane w LWT – Food Science and Technology autorstwa Li i in. bezpośrednio podejmuje to wyzwanie, przedstawiając metodę emulsji typu woda w wodzie (W/W) do wytwarzania mikrosfer rekrystalizowanej skrobi (RSM) w połączeniu z praktyczną strategią recyklingu fazy ciągłej glikolu polietylenowego (PEG).
Dlaczego metoda emulsji typu woda w wodzie?
Konwencjonalne metody emulsyjne do produkcji mikrosfer zazwyczaj opierają się na układach typu woda w oleju (W/O), które obejmują rozpuszczalniki organiczne i emulgatory chemiczne, co budzi obawy dotyczące bezpieczeństwa, ochrony środowiska i przepisów. Podejście emulsyjne W/W zastępuje fazę olejową wodnym roztworem PEG, tworząc układ dwufazowy, w którym kropelki skrobi są zdyspergowane w fazie ciągłej PEG. Ponieważ obie fazy są na bazie wody, metoda ta jest z natury bezpieczniejsza i bardziej przyjazna dla środowiska. Jednakże PEG jest stosunkowo kosztownym odczynnikiem, a produkcja na dużą skalę generowałaby znaczne ilości odpadów zawierających PEG, gdyby roztwór był odrzucany po każdej partii. Dlatego naukowcy zbadali, czy i w jaki sposób roztwór PEG można skutecznie odzyskać i ponownie wykorzystać.
Dwie strategie recyklingu: DR-PEG kontra RS-PEG
Zespół przetestował dwie drogi odzyskiwania. W pierwszym roztwór PEG zebrany po separacji mikrosfer wykorzystano bezpośrednio w kolejnej partii produkcyjnej bez żadnych modyfikacji – określany jako DR-PEG (ang. directly reused PEG). W drugim sposobie odzyskany roztwór PEG uzupełniono świeżym stałym PEG w celu przywrócenia pierwotnego stężenia przed ponownym użyciem – określanego jako RS-PEG (uzupełniony/suplementowany PEG).
Kluczowym narzędziem analitycznym była wykładnicza zależność między stężeniem PEG a lepkością pozorną, którą badacze ustalili przy wartości R² wynoszącej 0,99. Mierząc lepkość odzyskanego roztworu, mogli szybko i dokładnie obliczyć, ile PEG zostało utracone i ile suplementacji było wymagane, bez konieczności przeprowadzania skomplikowanej analizy chemicznej.
Wyniki: RS-PEG przewyższa bezpośrednie ponowne użycie
Podejście DR-PEG okazało się problematyczne. Ponieważ w każdym cyklu usuwano skrobię wraz z pewną ilością PEG, stężenie PEG w odzyskanym roztworze stale spadało. Spowodowało to spadek wydajności RSM o 0,7–11,9% w kolejnych recyklingach. Co ważniejsze, w pierwszej i drugiej partii poddanej recyklingowi zaobserwowano zlepianie się i aglomerację mikrosfer – wynik, który byłby nie do zaakceptowania w zastosowaniach farmaceutycznych lub spożywczych.
Podejście RS-PEG przyniosło znacznie lepsze wyniki. Utrzymując stałe stężenie PEG (około 331–334 g·kg⁻¹) poprzez ukierunkowaną suplementację, metoda nie tylko pozwoliła uniknąć aglomeracji we wszystkich pięciu testowanych cyklach, ale faktycznie zwiększyła wydajność z 78,2% w partii podstawowej do ponad 83% w czwartym cyklu, a następnie ustabilizowała się na poziomie około 83%. Poprawę przypisuje się stopniowej akumulacji cząsteczek skrobi w zawracanym roztworze PEG. W miarę wzrostu skrobi resztkowej w fazie ciągłej gradient stężenia powodujący migrację skrobi z rozproszonych kropelek maleje, co oznacza, że więcej skrobi zostaje zatrzymane w kropelkach i ostatecznie przekształcone w mikrosfery.
Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) potwierdziła, że RSM wytworzone przy użyciu roztworu RS-PEG zachowały swoją kulistą morfologię i dobrze rozproszony charakter we wszystkich pięciu procesach recyklingu. Analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich (XRD) wykazała ponadto, że charakterystyczna struktura krystaliczna typu B – z pikami dyfrakcyjnymi przy około 5,5°, 17°, 22° i 24° – pozostała identyczna z mikrosferami wytwarzanymi ze świeżego PEG, potwierdzając, że recykling nie ma niekorzystnego wpływu na jakość kryształów.
Praktyczne implikacje
Badanie to ustala, że PEG można wielokrotnie poddawać recyklingowi w produkcji emulsji typu W/W RSM bez uszczerbku dla jakości produktu, pod warunkiem, że stężenie jest monitorowane i przywracane pomiędzy cyklami. Metoda szacowania stężenia oparta na lepkości oferuje proste i tanie podejście analityczne odpowiednie do praktycznych warunków produkcyjnych. Odkrycia w znaczący sposób przyczyniają się do zmniejszenia zarówno kosztów materiałów, jak i śladu środowiskowego produkcji RSM. Autorzy zauważają jednak, że zdolność ładowania leku i wydajność kontrolowanego uwalniania RSM wytwarzanych metodą RS-PEG wymagają jeszcze scharakteryzowania – jest to ważny obszar przyszłych badań, zanim będzie można w pełni ocenić te mikrosfery pod kątem konkretnych zastosowań farmaceutycznych.