Tailoring degradable starch microsphere properties through predictive modelling

Abstract

Degradable starch microspheres (DSMs) are promising biomaterials with expanding medical applications due to their biocompatibility and controlled degradation. DSMs are produced by forming a water-in-oil emulsion using a starch solution, an emulsifier e.g. Starch Acetate Butyrate (SAB) and toluene, followed by crosslinking using a crosslinker, e.g. epichlorohydrin (ECH). The relationship between reaction parameters and material properties in DSMs made with SAB remains unclear. Investigating how different reaction parameters affect critical DSM properties could improve manufacturing efficiency and consistency.

The study aimed to investigate how reaction parameters such as temperature, stirring rate and ECH concentration influence key DSM properties particle size, particle size distribution span, swollen volume and degradation time. It also explored whether real-time imaging of emulsification and crosslinking could monitor and fine-tune the emulsion before crosslinking.

A fractional factorial design (resolution III) using the Design of Experiment software MODDE to evaluate relationships between the three reaction parameters and four key properties. In-situ probes (ParticleView, ParticleTracker and ReactIR) monitored
emulsification and crosslinking in real time.

ECH concentration was the only statistically significant parameter affecting all four properties. A temperature ceiling between 55–65 °C was identified, beyond which microspheres failed to form. The predictive model successfully met several target specifications relevant to uterine fibroid treatment. In-situ probes varied in effectiveness: ParticleTracker was compromised by low particle count during emulsification and fouling after crosslinking, ParticleView showed strong potential for real-time analysis and ReactIR detected an ECH-related signal, though less suitable under conditions producing more spherical particles. Future work could refine the design space to consistently produce spherical particles.

Popular Abstract (Swedish)

Att kunna skräddarsy biologiskt nedbrytbara stärkelsepartiklar för användning i medicintekniska produkter låter kanske som science fiction, men det håller snabbt på att bli verklighet! Dessa mikroskopiska partiklar tillverkar man av något som de flesta har hemma, potatisstärkelse och kan användas i medicintekniska produkter för att exempelvis blockera blodflödet till tumörer eller upptäcka läckage under bukspottkörtelsoperationer. En särskild lovande tillämpning är behandling av livmoderfibrom, där man använder de mikroskopiska partiklarna för att blockera blodflödet till muskelknuten. Livmoderfibrom är muskelknutor i eller på livmodern som drabbar upp till två tredjedelar av alla kvinnor någon gång i livet. Fibromen kan vara allt från ett riskorn till en melon i storlek. Symtomen varierar från inga alls till tydliga besvär som buk- och ryggsmärta, smärtsamma menstruationer, samlagssmärta och täta urinträngningar.

Hur förvandlas vanlig potatisstärkelse till stärkelsepartiklar? Jo, genom att skapa en vatten-i-olja emulsion, där man droppar en stärkelselösning långsamt ner i en blandning av ett organiskt lösningsmedel och ett emulgeringsmedel. De små vattendropparna stabiliseras av emulgeringsmedlet och stärkelsekedjorna i dropparna tvärbinds kemiskt för att bilda stabila mikrosfärer.

Tillverkningen av mikrosfärer för medicintekniska produkter är dock komplex. Det saknas fortfarande tillräcklig förståelse för hur olika tillverkningsparametrar påverkar mikrosfärernas egenskaper, vilket försvårar att producera dem på ett förutsägbart sätt. För att öka förståelsen användes en systematisk försöksplanering, där man undersökte hur parametrar som temperatur,omrörningshastighet och mängden tvärbindare påverkar mikrosfärernas storlek, svällningsförmåga och nedbrytningstid. Med hjälp av avancerad realtidsanalys man kunde följa hur emulsionen bildades och mikrosfärerna stelnade och undersöka om dessa tidiga
signaler kan kopplas till partiklarnas egenskaper för att finjustera processen redan innan mikrosfärerna bildas.

Mängden tvärbindare var den mest avgörande faktorn för mikrosfärernas egenskaper, såsom partikelstorlek, svällningsförmåga och nedbrytningstid. En oväntad upptäckt var att det finns ett temperaturtak mellan 55–65 °C. Över denna gräns bildades inga sfärer alls, utan bara en strukturlös stärkelse. Den prediktiva modellen lyckades förutse några av egenskaperna hos partiklarna, men behöver förfinas för att bli tillförlitlig. Efter förfining av modellen skulle den kunna bidra till att effektivisera tillverkning, där modellen hjälper till att snabbare hitta rätt parametrar för önskade materialegenskaper och därmed spara både tid och resurser.

• author: Gauffin, Josefin
• supervisor: Ulf Nilsson; Ian George
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM05 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Microspheres, Design of experiment, Organic chemistry
• language: English
• id: 9204408
• date added to LUP: 2025-06-24 09:57:07
• date last changed: 2025-06-24 09:57:07