Stärkelsemikrosfärer har blivit ett betydande forskningsfokus inom läkemedels-, livsmedels- och kosmetikaindustrin, värderade för sin biokompatibilitet, biologiska nedbrytbarhet, icke-toxicitet och relativt låga produktionskostnader. Produkter som Spherex™, Arista™ och EmboCept™ har redan visat sin kommersiella livskraft som vehiklar för läkemedelsleverans, hemostatiska medel och emboliseringsmedel. I takt med att efterfrågan ökar ökar också behovet av skalbara och kostnadseffektiva produktionsmetoder. En studie från 2018 publicerad i LWT – Food Science and Technology av Li et al. adresserar denna utmaning direkt och presenterar en vatten-i-vatten (W/W) emulsionsmetod för framställning av omkristalliserade stärkelsemikrosfärer (RSM) kombinerat med en praktisk strategi för återvinning av den kontinuerliga fasen av polyetylenglykol (PEG).
Varför vatten-i-vatten-emulsionsmetoden?
Konventionella emulsionsmetoder för produktion av mikrosfärer förlitar sig vanligtvis på vatten-i-olja (W/O)-system, som involverar organiska lösningsmedel och kemiska emulgeringsmedel som väcker säkerhets-, miljö- och regulatoriska problem. W/W-emulsionsmetoden ersätter oljefasen med en vattenhaltig PEG-lösning, vilket skapar ett tvåfassystem där stärkelsedroppar är dispergerade i den kontinuerliga PEG-fasen. Eftersom båda faserna är vattenbaserade är denna metod i sig säkrare och mer miljövänlig. Men PEG är ett relativt dyrt reagens och produktion i stora volymer skulle generera betydande mängder PEG-innehållande avfall om lösningen kasserades efter varje sats. Forskarna undersökte därför om och hur PEG-lösningen effektivt kunde återvinnas och återanvändas.
Två återvinningsstrategier: DR-PEG vs. RS-PEG
Teamet testade två återhämtningsvägar. I den första användes PEG-lösningen som samlats in efter mikrosfärseparation direkt i nästa produktionssats utan någon modifiering - kallad DR-PEG (direkt återanvänd PEG). I den andra vägen kompletterades den återvunna PEG-lösningen med färsk fast PEG för att återställa den ursprungliga koncentrationen före återanvändning - kallad RS-PEG (påfylld/kompletterad PEG).
Ett viktigt analytiskt verktyg var det exponentiella sambandet mellan PEG-koncentration och skenbar viskositet, som forskarna fastställde med ett R²-värde på 0,99. Genom att mäta viskositeten hos den återvunna lösningen kunde de snabbt och exakt beräkna hur mycket PEG som hade förlorats och hur mycket tillskott som krävdes, utan att behöva göra en komplicerad kemisk analys.
Resultat: RS-PEG överträffar direkt återanvändning
DR-PEG-metoden visade sig vara problematisk. Eftersom varje cykel tog bort stärkelse tillsammans med lite PEG, minskade PEG-koncentrationen i den utvunna lösningen stadigt. Detta fick avkastningen av RSM att minska med 0,7 %–11,9 % över successiva återvinningar. Mer signifikant, klumpning och agglomerering av mikrosfärer observerades i den första och andra återvinningssatsen - ett resultat som skulle vara oacceptabelt i farmaceutiska eller livsmedelsklassade tillämpningar.
RS-PEG-metoden gav betydligt bättre resultat. Genom att upprätthålla en konsekvent PEG-koncentration (cirka 331–334 g·kg⁻¹) genom riktade tillskott, undvek metoden inte bara agglomerering över alla fem testade cyklerna utan ökade faktiskt utbytet från 78,2 % i baslinjebatchen till över 83 % vid den fjärde återvinningen, och stabiliserade sig därefter på cirka 83 %. Förbättringen tillskrivs den progressiva ackumuleringen av stärkelsemolekyler i den återvunna PEG-lösningen. När kvarvarande stärkelse i den kontinuerliga fasen ökar, minskar koncentrationsgradienten som driver stärkelsemigreringen ut ur de dispergerade dropparna, vilket innebär att mer stärkelse hålls kvar i dropparna och slutligen omvandlas till mikrosfärer.
Svepelektronmikroskopi (SEM) bekräftade att RSM producerade med RS-PEG-lösning behöll sin sfäriska morfologi och väl spridda natur över alla fem återvinningarna. Röntgendiffraktionsanalys (XRD) visade vidare att den karakteristiska kristallina strukturen av B-typ - med diffraktionstoppar vid ungefär 5,5°, 17°, 22° och 24° - förblev identisk med mikrosfärer producerade med färsk PEG, vilket bekräftar att återvinning inte hade någon negativ effekt på kristallin kvalitet.
Praktiska konsekvenser
Denna studie fastställer att PEG kan återvinnas flera gånger i W/W emulsionsproduktion av RSM utan att kompromissa med produktkvaliteten, förutsatt att koncentrationen övervakas och återställs mellan cyklerna. Den viskositetsbaserade koncentrationsuppskattningsmetoden erbjuder en enkel, billig analytisk metod som lämpar sig för praktiska tillverkningsmiljöer. Resultaten bidrar på ett meningsfullt sätt till att minska både materialkostnaden och miljöavtrycket för RSM-produktion. Författarna noterar dock att läkemedelsladdningskapacitet och kontrollerad frisättningsprestanda för RSM producerade via RS-PEG-metoden återstår att karakterisera - ett viktigt område för framtida undersökningar innan dessa mikrosfärer kan utvärderas helt för specifika farmaceutiska tillämpningar.