Medical Plastics 101: Copolímero de olefina cíclica

Timoteo Kneale | 02 de febrero de 2021

El copolímero de olefina cíclica (COC) es un miembro único de la familia de las poliolefinas, que también incluye materiales de gran volumen como el polietileno (PE) y el polipropileno (PP). Se introdujo hace algunas décadas y se ha convertido en un material ampliamente utilizado en aplicaciones médicas y de embalaje. La pureza extremadamente alta y las propiedades únicas del COC lo han convertido en el material dominante en aplicaciones microfluídicas y de diagnóstico avanzado. El uso del material en el empaque primario de medicamentos, en forma de jeringas precargadas, viales, ampollas, bolsas y dispositivos portátiles livianos, se ha vuelto cada vez más común a medida que las moléculas y formulaciones farmacéuticas más nuevas tienden hacia una mayor sensibilidad química a los plásticos y vidrios de menor pureza. Las películas de PE y PP utilizan COC como potenciador del rendimiento para simplificar las películas y competir con estructuras más complejas y menos reciclables.

Parte del atractivo del COC es su claridad similar al vidrio, que iguala o supera a los sustitutos del vidrio tradicionales como el policarbonato (PC) y el polimetilmetacrilato (PMMA). Es importante destacar que para usos médicos, el COC es esterilizable por todos los métodos estándar, incluidos vapor, EtO, gamma y peróxido de hidrógeno. Tiene la mejor transmisión UV de cualquier polímero, lo cual es clave para muchos análisis de diagnóstico. Están disponibles grados con resistencia al calor de hasta 170 °C, que soportan fácilmente la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y las condiciones de esterilización por vapor. Otra poderosa ventaja del COC es su resistencia a los químicos polares agresivos. Es altamente tolerante a ácidos, bases, alcoholes y más. La resina también proporciona una de las mejores barreras contra la humedad de cualquier plástico.

Las ventajas de los COC en el diseño médico son convincentes. La resina es capaz de reproducir detalles increíblemente finos mediante moldeo por inyección, incluso a nivel submicrónico. También tiene una estabilidad dimensional excepcional y una baja contracción, lo que permite una precisión volumétrica que la mayoría de las resinas de la competencia no pueden igualar.

Quizás la principal atracción del COC es su extremada pureza e inercia. Sus bajos lixiviables y extraíbles lo hacen ideal para el contacto directo con medicamentos, mientras que la ausencia virtual de iones preserva la potencia de las formulaciones sensibles. Es ampliamente utilizado en las aplicaciones de envasado y entrega de medicamentos más desafiantes donde ni siquiera el vidrio médico funciona. En aplicaciones de diagnóstico y microfluidos, las mismas características aseguran que el material que se analiza o procesa no se contamina, lo que maximiza la precisión analítica y la pureza del producto. Como era de esperar, el cumplimiento normativo es una gran ventaja para COC, con el cumplimiento de USP Clase VI e ISO 10993, incluida la biocompatibilidad, USP 661.1 y archivos maestros de medicamentos y dispositivos de la FDA.

La pandemia de COVID-19 ha creado un gran interés en los COC para productos desechables de diagnóstico y para vacunas y envases terapéuticos. El COC ha sido una solución de material durante mucho tiempo para jeringas y viales médicos, así como para recipientes de diagnóstico desechables, mercados que han estado dominados por el vidrio de borosilicato.

El COC se está utilizando en aplicaciones de prueba de COVID-19, y se están realizando desarrollos para su uso en nuevas vacunas y terapias. Con una gama de nuevas pruebas y terapias bajo consideración, las empresas están utilizando los productos más puros e inertes para sus desarrollos. El interés en los COC ha aumentado aún más debido a la creciente preocupación en la industria farmacéutica por la escasez de viales de vidrio para las vacunas COVID-19.

COC podría servir para aliviar una posible escasez de vidrio de borosilicato utilizado para fabricar viales de vacunas. Si bien el vidrio de borosilicato de bajo costo satisface las necesidades de la industria actual, existen medicamentos y terapias emergentes que son incompatibles con el vidrio. En particular, los COC podrían desempeñar un papel vital a medida que surjan más ingredientes activos derivados de la biotecnología.

Los lixiviables y extraíbles extremadamente bajos del material, junto con su superficie no polar y de baja reactividad y el amplio cumplimiento normativo global lo hacen ideal para desechables de diagnóstico y para el envasado de vacunas y agentes terapéuticos. COC es actualmente comercial en muchas aplicaciones médicas en las principales empresas mundiales de atención médica. El material proporciona una pureza ultra alta y su naturaleza inerte evita la interferencia con reacciones y análisis. Las características clave adicionales incluyen un rendimiento óptico superior (91% de claridad) junto con una excelente transparencia UV y una baja birrefringencia.

Los COC están experimentando un fuerte crecimiento del mercado en el sector médico a medida que sus ventajas se conocen más ampliamente y la oferta sigue aumentando. Las jeringas precargadas son una historia de éxito notable, que se basa en la extraordinaria pureza y la estabilidad del fármaco resultante que ofrecen las jeringas de COC. Otra aplicación en auge son los dispositivos portátiles de administración de insulina, en los que la pureza y la estabilidad dimensional de los AOC dan como resultado una alta potencia y un control preciso de la medicación.

Varios dispositivos usan COC para la resistencia química, siendo las mezcladoras de cemento óseo una especialidad, mientras que ha habido un aumento en la cantidad de dispositivos médicos que usan COC para mejorar el rendimiento de PE y PP a través de la mezcla, reemplazando así a los polímeros más caros. En el frente del diagnóstico, los COC desechables utilizados en las pruebas de enfermedades son cada vez más populares y reemplazan en gran medida al PP y al poliestireno (PS) cuando se requieren análisis más precisos.

Las aplicaciones de microfluidos han evolucionado y se han beneficiado de varias innovaciones a lo largo de los años. Los nuevos diseños han ampliado el uso desde el simple microanálisis realizado en el laboratorio hasta el área de rápido crecimiento de los diagnósticos en el punto de atención (POC). Con estos avances, la elección de los materiales utilizados para fabricar biochips, cartuchos y otros componentes de microfluidos también sigue evolucionando. El vidrio y los polímeros como la silicona fueron pilares durante muchos años. Más recientemente, el copolímero de olefina cíclica ha surgido como un material microfluídico muy útil y atractivo, que ofrece alta claridad óptica y UV, baja absorción de agua, excepcional barrera contra la humedad y excelente resistencia a los productos químicos, incluidos los principales solventes orgánicos utilizados en el análisis químico.

Las propiedades únicas de COC lo convierten en un material excelente para el diseño y la fabricación de piezas microfluídicas utilizadas en sistemas analíticos, investigación y dispositivos biomédicos. COC se puede utilizar para replicar funciones, incluidos microcanales con procesos de fabricación, como estampado en caliente para un rendimiento bajo a medio, y moldeo por inyección para una producción más rápida de piezas detalladas en gran cantidad.

El copolímero de olefina cíclica está encontrando una mayor utilidad como potenciador del rendimiento en el envasado de película a base de poliolefina. En las mezclas de poliolefinas, el COC ofrece una importante mejora en el rendimiento, proporcionando un módulo mejorado, una mayor resistencia térmica y una mayor barrera para artículos termoformados como bandejas, junto con bolsas y saquitos. Estas mezclas se procesan fácilmente en equipos convencionales de procesamiento de películas fundidas y sopladas dentro de los parámetros operativos estándar para poliolefinas.

COC se basa en la polimerización de etileno y norborneno utilizando catalizadores de metaloceno. El material tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) que oscila entre 65° y 180° C en función de las proporciones de los comonómeros. Como polímero amorfo, el COC no tiene un punto de fusión cristalino y, en cambio, comienza a ablandarse por encima de la Tg, y se vuelve cada vez más fluido a medida que aumentan las temperaturas. Este material transparente e incoloro posee un alto módulo y ofrece una gran compatibilidad con los grados de polietileno convencionales. La compatibilidad es mejor con productos de polietileno lineal como LLDPE y HDPE, y es aceptable para LDPE. Los procesadores han reprocesado durante muchos años recortes y chatarra de COC/PE directamente de vuelta a la producción. Reconociendo la creciente importancia de la reciclabilidad, las pruebas recientes han demostrado que el COC es compatible con los flujos de reciclaje posconsumo de PE y PP en Europa, y con PE para contenedores en los Estados Unidos. Se están realizando más pruebas, incluido el protocolo de película de PE de EE. UU. más nuevo.

Como componente de mezcla, el COC se usa más comúnmente para mejorar el módulo y permitir la reducción del espesor de una película monocapa. Con un módulo en el rango de 300 000 psi, tan solo un 10 % de COC agregado a LLDPE duplicará o triplicará su módulo mientras mantiene un bajo nivel de turbidez. Ya sea en una película monocapa simple o como parte de una película coextruida, una mezcla de LLDPE/COC a menudo permite que una película más delgada brinde el mismo rendimiento a un costo reducido basado en el área, lo que ofrece importantes beneficios de sostenibilidad.

Cuando se utilizan grados de COC de mayor Tg, estas mejoras de módulo se mantienen hasta temperaturas cercanas a la Tg del COC, lo que mejora el rendimiento de llenado en caliente y eleva la capacidad de temperatura. Otro punto importante es que la adición de COC al LLDPE puede reducir significativamente los valores de desgarro de Elmendorf, especialmente en la dirección de la máquina, incluso cuando mejora la resistencia a la perforación de la película. El COC se utiliza comercialmente como un aditivo de desgarro lineal controlado. Además, muchas películas de olefina/COC se utilizan comercialmente en aplicaciones de termoformado donde la naturaleza amorfa del COC mejora la uniformidad del proceso de formación, lo que permite un mejor control del espesor en secciones y esquinas de embutición profunda (>10 cm).

El copolímero de olefina cíclica también permite un mayor rendimiento en películas de embalaje de poliolefina multicapa para muchas aplicaciones. Las películas multicapa de COC/LLDPE han mejorado la formabilidad, la óptica, la tenacidad y la resistencia a la perforación en comparación con películas similares coextruidas de EVA/ionómero a un costo comparable. Las películas multicapa de COC/LLDPE diseñadas también se pueden comparar favorablemente con muchas estructuras basadas en nailon y, al mismo tiempo, eliminan la necesidad de capas adhesivas de unión. La eliminación de las capas de unión y las resinas no olefínicas simplifica la logística de producción y permite el uso de película de desecho reciclada debido a la compatibilidad entre el COC y el polietileno.

El COC también se utiliza cada vez más para producir películas de barrera de alta transparencia para embalaje. El COC tiene capacidades de barrera contra la humedad, que son cuatro o cinco veces mejores que el LDPE. Las mezclas que se componen de más del 70 % de COC suelen proporcionar hasta un 90 % del rendimiento de barrera del COC puro y, a diferencia del HDPE, mantienen una turbidez baja. Si bien el COC puede mejorar el rendimiento de la barrera como componente de la mezcla, la mejor mejora de la barrera se logra cuando se utiliza el COC en una capa discreta. El COC también suele proporcionar de cinco a 10 veces más resistencia de barrera a los aromas y fragancias que el LLDPE. Aunque el COC no ofrece una alta barrera contra gases, su rendimiento sigue siendo significativamente mejor que el polietileno y se puede usar para adaptar la permeación para cumplir con la resistencia específica de barrera de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono requerida en el empaque.

Las aplicaciones de COC tienden a estar en áreas donde los materiales tradicionales no pueden manejar uno o más requisitos de rendimiento. Si bien el PC se usa ampliamente en aplicaciones médicas y ofrece propiedades de impacto y ductilidad superiores al COC, a veces no puede satisfacer las demandas térmicas o de pureza de las aplicaciones médicas. Por otro lado, las propiedades de impacto del PMMA son similares a las del COC, pero la resistencia al calor del acrílico es notablemente inferior a la del COC. En el mundo de las poliolefinas, el COC rara vez compite con el PE y el PP económicos, pero a menudo se combina con estos materiales (a través de mezclas o capas múltiples) para mejorar propiedades como la resistencia al calor y a los químicos, la estabilidad dimensional, la barrera, la termoformabilidad y más. Un área donde el COC está limitado es el contacto con grasas, aceites y combustibles. Estos materiales no polares pueden penetrar el COC y estropear la superficie.

A diferencia de otras poliolefinas, el COC es un polímero amorfo. Esto le da características de procesamiento similares a las resinas médicas ampliamente utilizadas, como PC y PMMA. Se puede moldear por inyección y también se abre paso en productos de películas médicas extruidas, como envases tipo blíster y bolsas de barrera. Muchos de los principales moldeadores por inyección médica tienen plena experiencia con COC, al igual que muchos de los principales fabricantes de películas.

COC es un primo químico de otra poliolefina amorfa, conocida como COP (polímero de olefina cíclica). Esta resina comparte muchos atributos de alto rendimiento con COC y se usa en muchas de las mismas aplicaciones, cada una con ventajas menores en ciertas categorías de rendimiento. Sin embargo, el COP se fabrica a través de un proceso más complejo que el COC, lo que a menudo hace que el COC sea una opción más rentable.

COC es una adición vital al arsenal de materiales médicos y de embalaje. Permite una mejor estabilidad de la medicación y una capacidad de diagnóstico de enfermedades inigualable, al tiempo que ofrece un mejor rendimiento y reciclabilidad de las películas plásticas. Se espera un fuerte crecimiento continuo, ya que este material cumple con los complejos requisitos de rendimiento y permite muchas de las tendencias crecientes en la industria médica, incluida la complejidad de los medicamentos, las pruebas en el punto de atención y los dispositivos portátiles. La necesidad de envases eficientes y sostenibles seguirá impulsando el crecimiento de los mercados de envases.

Sobre el Autor

Timothy Kneale es presidente de TOPAS Americas, Polyplastics USA. Formado como ingeniero químico, Kneale ha desempeñado una variedad de funciones de liderazgo técnico y desarrollo de productos de la industria del plástico. Desde 2008, lidera el negocio de COC TOPAS en las Américas. Polyplastics Co., Ltd., a través de su subsidiaria TOPAS Advanced Polymers GmbH, es un fabricante líder de COC, comercializado bajo la marca TOPAS. Para obtener más información, visite topas.com o comuníquese con Kneale en [email protected]

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