Các vi cầu tinh bột đã trở thành trọng tâm nghiên cứu quan trọng trong các ngành công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm, được đánh giá cao về khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, không độc hại và chi phí sản xuất tương đối thấp. Các sản phẩm như Spherex™, Arista™ và EmboCept™ đã chứng minh được khả năng thương mại của chúng dưới dạng phương tiện vận chuyển thuốc, chất cầm máu và chất gây tắc mạch. Khi nhu cầu tăng lên, nhu cầu về các phương pháp sản xuất có thể mở rộng và tiết kiệm chi phí cũng tăng theo. Một nghiên cứu năm 2018 được công bố trên LWT – Khoa học và Công nghệ Thực phẩm của Li và cộng sự. trực tiếp giải quyết thách thức này bằng cách trình bày phương pháp nhũ tương nước trong nước (W/W) để sản xuất các vi cầu tinh bột tái kết tinh (RSM) kết hợp với chiến lược thực tế để tái chế pha liên tục polyethylen glycol (PEG).
Tại sao lại áp dụng phương pháp nhũ tương nước trong nước?
Các phương pháp nhũ tương thông thường để sản xuất vi cầu thường dựa vào hệ thống nước trong dầu (W/O), bao gồm dung môi hữu cơ và chất nhũ hóa hóa học làm tăng mối lo ngại về an toàn, môi trường và quy định. Phương pháp nhũ tương W/W thay thế pha dầu bằng dung dịch PEG dạng nước, tạo ra hệ thống hai pha trong đó các giọt tinh bột được phân tán trong pha liên tục PEG. Vì cả hai pha đều dựa trên nước nên phương pháp này vốn đã an toàn hơn và thân thiện với môi trường hơn. Tuy nhiên, PEG là thuốc thử tương đối đắt tiền và việc sản xuất số lượng lớn sẽ tạo ra lượng chất thải chứa PEG đáng kể nếu dung dịch bị loại bỏ sau mỗi mẻ. Do đó, các nhà nghiên cứu đã điều tra xem liệu giải pháp PEG có thể được phục hồi và tái sử dụng một cách hiệu quả hay không và bằng cách nào.
Hai chiến lược tái chế: DR-PEG và RS-PEG
Nhóm đã thử nghiệm hai con đường phục hồi. Trong lần đầu tiên, dung dịch PEG được thu thập sau khi tách vi cầu được sử dụng trực tiếp trong lô sản xuất tiếp theo mà không có bất kỳ sửa đổi nào - được gọi là DR-PEG (PEG tái sử dụng trực tiếp). Trong phương pháp thứ hai, dung dịch PEG thu hồi được bổ sung PEG rắn mới để khôi phục nồng độ ban đầu trước khi tái sử dụng - được gọi là RS-PEG (PEG bổ sung/bổ sung).
Một công cụ phân tích quan trọng là mối quan hệ hàm mũ giữa nồng độ PEG và độ nhớt biểu kiến mà các nhà nghiên cứu đã thiết lập với giá trị R² là 0,99. Bằng cách đo độ nhớt của dung dịch thu hồi, họ có thể tính toán nhanh chóng và chính xác lượng PEG đã bị mất và lượng cần bổ sung mà không cần phân tích hóa học phức tạp.
Kết quả: RS-PEG vượt trội hơn so với việc tái sử dụng trực tiếp
Cách tiếp cận DR-PEG tỏ ra có vấn đề. Vì mỗi chu trình loại bỏ tinh bột cùng với một số PEG nên nồng độ PEG trong dung dịch thu hồi giảm dần. Điều này khiến hiệu suất RSM giảm 0,7%–11,9% trong các lần tái chế liên tiếp. Đáng kể hơn, sự vón cục và kết tụ của các vi cầu đã được quan sát thấy trong lô tái chế thứ nhất và thứ hai - một kết quả không thể chấp nhận được trong các ứng dụng cấp dược phẩm hoặc thực phẩm.
Phương pháp RS-PEG mang lại kết quả tốt hơn đáng kể. Bằng cách duy trì nồng độ PEG nhất quán (khoảng 331–334 g·kg⁻¹) thông qua việc bổ sung có mục tiêu, phương pháp này không chỉ tránh được sự kết tụ trong tất cả năm chu kỳ được thử nghiệm mà còn thực sự tăng hiệu suất từ 78,2% trong lô cơ sở lên trên 83% vào lần tái chế thứ tư, ổn định ở mức khoảng 83% sau đó. Sự cải thiện này là do sự tích lũy dần dần của các phân tử tinh bột trong dung dịch PEG tái chế. Khi tinh bột dư trong pha liên tục tăng lên, gradient nồng độ khiến tinh bột di chuyển ra khỏi các giọt phân tán giảm đi, nghĩa là nhiều tinh bột được giữ lại trong các giọt và cuối cùng chuyển thành các vi cầu.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) đã xác nhận rằng RSM được tạo ra bằng dung dịch RS-PEG vẫn giữ được hình thái hình cầu và tính chất phân tán tốt trên cả năm lần tái chế. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) tiếp tục cho thấy cấu trúc tinh thể loại B đặc trưng - với các đỉnh nhiễu xạ ở khoảng 5,5°, 17°, 22° và 24° - vẫn giống với cấu trúc của các vi cầu được tạo ra bằng PEG mới, xác nhận rằng quá trình tái chế không có ảnh hưởng xấu đến chất lượng tinh thể.
Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu này chứng minh rằng PEG có thể được tái chế nhiều lần trong quá trình sản xuất nhũ tương W/W của RSM mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, miễn là nồng độ được theo dõi và phục hồi giữa các chu kỳ. Phương pháp ước tính nồng độ dựa trên độ nhớt cung cấp phương pháp phân tích đơn giản, chi phí thấp phù hợp với môi trường sản xuất thực tế. Những phát hiện này góp phần có ý nghĩa trong việc giảm cả chi phí nguyên vật liệu và tác động môi trường của quá trình sản xuất RSM. Tuy nhiên, các tác giả lưu ý rằng khả năng nạp thuốc và hiệu suất giải phóng có kiểm soát của RSM được tạo ra thông qua phương pháp RS-PEG vẫn chưa được mô tả cụ thể - một lĩnh vực quan trọng để nghiên cứu trong tương lai trước khi các vi cầu này có thể được đánh giá đầy đủ cho các ứng dụng dược phẩm cụ thể.