ไมโครสเฟียร์แป้งกลายเป็นจุดมุ่งเน้นการวิจัยที่สำคัญในอุตสาหกรรมยา อาหาร และเครื่องสำอาง โดยให้ความสำคัญกับความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ ไม่เป็นพิษ และต้นทุนการผลิตที่ค่อนข้างต่ำ ผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น Spherex™, Arista™ และ EmboCept™ ได้แสดงให้เห็นศักยภาพเชิงพาณิชย์แล้วในฐานะเครื่องมือนำส่งยา สารห้ามเลือด และสารทำให้ลิ่มเลือดอุดตัน เมื่อความต้องการเพิ่มมากขึ้น ความต้องการวิธีการผลิตที่ปรับขนาดได้และคุ้มต้นทุนก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน การศึกษาปี 2018 ที่ตีพิมพ์ใน LWT – วิทยาศาสตร์การอาหารและเทคโนโลยี โดย Li et al จัดการกับความท้าทายนี้โดยตรง โดยนำเสนอวิธีการอิมัลชันน้ำในน้ำ (W/W) สำหรับการผลิตแป้งไมโครสเฟียร์ที่ตกผลึกซ้ำ (RSM) รวมกับกลยุทธ์เชิงปฏิบัติสำหรับการรีไซเคิลเฟสต่อเนื่องของโพลีเอทิลีนไกลคอล (PEG)
ทำไมต้องใช้วิธีอิมัลชันน้ำในน้ำ?
วิธีอิมัลชันแบบทั่วไปสำหรับการผลิตไมโครสเฟียร์มักอาศัยระบบน้ำในน้ำมัน (W/O) ซึ่งเกี่ยวข้องกับตัวทำละลายอินทรีย์และอิมัลซิไฟเออร์เคมีที่ทำให้เกิดข้อกังวลด้านความปลอดภัย สิ่งแวดล้อม และกฎระเบียบ วิธีการอิมัลชัน W/W แทนที่เฟสน้ำมันด้วยสารละลาย PEG ที่เป็นน้ำ ทำให้เกิดระบบสองเฟสที่หยดแป้งจะถูกกระจายภายในเฟสต่อเนื่อง PEG เนื่องจากทั้งสองขั้นตอนเป็นแบบน้ำ วิธีนี้จึงปลอดภัยกว่าและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่า อย่างไรก็ตาม PEG เป็นรีเอเจนต์ที่มีราคาค่อนข้างแพง และการผลิตในปริมาณมากจะก่อให้เกิดของเสียที่มี PEG จำนวนมาก หากสารละลายถูกทิ้งหลังจากแต่ละชุด นักวิจัยจึงตรวจสอบว่าโซลูชัน PEG สามารถกู้คืนและนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่และอย่างไร
กลยุทธ์การรีไซเคิลสองแบบ: DR-PEG กับ RS-PEG
ทีมงานได้ทดสอบเส้นทางการกู้คืนสองเส้นทาง ในตอนแรก สารละลาย PEG ที่รวบรวมหลังจากการแยกไมโครสเฟียร์ถูกนำมาใช้โดยตรงในชุดการผลิตถัดไปโดยไม่มีการดัดแปลงใดๆ ซึ่งเรียกว่า DR-PEG (PEG ที่นำกลับมาใช้ใหม่โดยตรง) ในเส้นทางที่สอง สารละลาย PEG ที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้รับการเสริมด้วย PEG แข็งสดเพื่อคืนความเข้มข้นดั้งเดิมก่อนนำมาใช้ใหม่ — เรียกว่า RS-PEG (PEG ที่เติม/เสริม)
เครื่องมือวิเคราะห์ที่สำคัญคือความสัมพันธ์แบบเอกซ์โพเนนเชียลระหว่างความเข้มข้น PEG และความหนืดปรากฏ ซึ่งนักวิจัยได้กำหนดขึ้นด้วยค่า R² เท่ากับ 0.99 ด้วยการวัดความหนืดของสารละลายที่นำกลับมาใช้ใหม่ พวกเขาสามารถคำนวณปริมาณ PEG ที่สูญเสียไปได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ และปริมาณที่จำเป็นต้องเสริม โดยไม่ต้องมีการวิเคราะห์ทางเคมีที่ซับซ้อน
ผลลัพธ์: RS-PEG มีประสิทธิภาพเหนือกว่าการใช้ซ้ำโดยตรง
วิธีการ DR-PEG ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีปัญหา เนื่องจากแต่ละรอบจะกำจัดแป้งออกไปพร้อมกับ PEG บางส่วน ความเข้มข้นของ PEG ในสารละลายที่นำกลับมาใช้ใหม่จึงลดลงอย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้ทำให้ผลผลิตของ RSM ลดลง 0.7%–11.9% จากการรีไซเคิลต่อเนื่องกัน ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น ไมโครสเฟียร์จับตัวเป็นก้อนและรวมตัวกันในชุดการรีไซเคิลชุดที่ 1 และ 2 ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่ไม่สามารถยอมรับได้ในการใช้งานทางเภสัชกรรมหรือเกรดอาหาร
วิธีการ RS-PEG ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่ามาก ด้วยการรักษาความเข้มข้น PEG ที่สม่ำเสมอ (ประมาณ 331–334 กรัม·กก.⁻¹) ผ่านการเสริมแบบกำหนดเป้าหมาย วิธีการไม่เพียงแต่หลีกเลี่ยงการจับตัวเป็นก้อนในรอบที่ทดสอบทั้งห้ารอบเท่านั้น แต่ยังเพิ่มผลผลิตจาก 78.2% ในชุดพื้นฐานเป็นสูงกว่า 83% ด้วยการรีไซเคิลครั้งที่สี่ ซึ่งคงความเสถียรที่ประมาณ 83% หลังจากนั้น การปรับปรุงนี้เกิดจากการสะสมโมเลกุลแป้งอย่างต่อเนื่องในสารละลาย PEG ที่รีไซเคิล เมื่อแป้งที่ตกค้างในระยะต่อเนื่องเพิ่มขึ้น ความเข้มข้นของการไล่ระดับของแป้งที่ผลักดันการอพยพของแป้งออกจากหยดที่กระจัดกระจายจะลดลง ซึ่งหมายความว่าแป้งจะคงอยู่ในหยดมากขึ้น และสุดท้ายจะเปลี่ยนเป็นไมโครสเฟียร์
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ยืนยันว่า RSM ที่ผลิตโดยใช้สารละลาย RS-PEG ยังคงลักษณะทางสัณฐานวิทยาของทรงกลมและลักษณะการกระจายตัวที่ดีในการรีไซเคิลทั้งห้าครั้ง การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) แสดงให้เห็นเพิ่มเติมว่าโครงสร้างผลึกชนิด B ที่มีลักษณะเฉพาะ ซึ่งมียอดการเลี้ยวเบนที่ประมาณ 5.5°, 17°, 22° และ 24° ยังคงเหมือนเดิมกับโครงสร้างไมโครสเฟียร์ที่ผลิตด้วย PEG สด ซึ่งยืนยันว่าการรีไซเคิลไม่มีผลเสียต่อคุณภาพของผลึก
ผลกระทบเชิงปฏิบัติ
การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่า PEG สามารถรีไซเคิลได้หลายครั้งในการผลิตอิมัลชัน W/W ของ RSM โดยไม่กระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ โดยมีเงื่อนไขว่าความเข้มข้นจะได้รับการตรวจสอบและฟื้นฟูระหว่างรอบ วิธีการประมาณค่าความเข้มข้นตามความหนืดนำเสนอวิธีการวิเคราะห์ที่ตรงไปตรงมาและต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับการตั้งค่าการผลิตในทางปฏิบัติ การค้นพบนี้มีส่วนช่วยอย่างมีนัยสำคัญในการลดต้นทุนวัสดุและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของการผลิต RSM อย่างไรก็ตาม ผู้เขียนตั้งข้อสังเกตว่าความสามารถในการบรรจุยาและประสิทธิภาพการปลดปล่อยยาที่ควบคุมได้ของ RSM ที่ผลิตด้วยวิธี RS-PEG ยังคงมีลักษณะเฉพาะ ซึ่งเป็นประเด็นสำคัญสำหรับการตรวจสอบในอนาคตก่อนที่ไมโครสเฟียร์เหล่านี้จะได้รับการประเมินอย่างเต็มที่สำหรับการใช้งานด้านเภสัชกรรมเฉพาะอย่าง