Plásticos médicos 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 unas 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 de microfluidos y diagnóstico avanzado. El uso del material en envases primarios 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 de COC es su claridad similar al vidrio, que iguala o supera a los sustitutos tradicionales del vidrio como el policarbonato (PC) y el polimetilmetacrilato (PMMA). Es importante destacar que para usos médicos, el COC se puede esterilizar mediante 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. Hay disponibles grados con resistencia al calor de hasta 170 °C, que resisten 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 a 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 competitivas no pueden igualar.

Quizás el principal atractivo del COC sea su altísima pureza e inercia. Su bajo contenido de lixiviables y extraíbles lo hace ideal para el contacto directo con medicamentos, mientras que la virtual ausencia de iones preserva la potencia de las formulaciones sensibles. Se utiliza ampliamente en las aplicaciones de envasado y administración de medicamentos más desafiantes, donde ni siquiera el vidrio médico funciona. En aplicaciones de diagnóstico y microfluidos, las mismas características garantizan que el material que se analiza o procesa permanece no contaminado, maximizando la precisión analítica y la pureza del producto. Como era de esperar, el cumplimiento normativo es una gran ventaja para los COC, ya que cumple con USP Clase VI e ISO 10993, incluida la biocompatibilidad, USP 661.1 y archivos maestros de dispositivos y medicamentos de la FDA.

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

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

El COC podría servir para aliviar una posible escasez de vidrio de borosilicato utilizado para fabricar viales de vacunas. Si bien el vidrio de borosilicato económico satisface las necesidades de la industria actual, están surgiendo medicamentos y terapias 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 niveles extremadamente bajos de lixiviables y extraíbles del material, junto con su superficie no polar y de baja reactividad y su amplio cumplimiento normativo global lo hacen ideal para productos desechables de diagnóstico y para el envasado de vacunas y agentes terapéuticos. Actualmente, el COC se comercializa en muchas aplicaciones médicas en empresas sanitarias líderes a nivel mundial. El material proporciona una pureza ultraalta y su naturaleza inerte evita interferencias con reacciones y análisis. Las características clave adicionales incluyen un rendimiento óptico superior (91% de claridad) junto con una excelente transparencia UV y baja birrefringencia.

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

Varios dispositivos utilizan COC para la resistencia química, siendo las mezcladoras de cemento óseo una especialidad, mientras que ha habido un aumento en el número de dispositivos médicos que utilizan COC para mejorar el rendimiento del PE y PP mediante mezclas, reemplazando así a polímeros más caros. En el frente del diagnóstico, los AOC desechables utilizados en las pruebas de enfermedades son cada vez más populares, reemplazando 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 su 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 continúa 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, barrera excepcional contra la humedad y excelente resistencia a los productos químicos, incluidos los principales disolventes orgánicos utilizados en análisis químicos.

Las propiedades únicas del COC lo convierten en un material excelente para el diseño y fabricación de piezas de microfluidos utilizadas en sistemas analíticos, investigación y dispositivos biomédicos. COC se puede utilizar para replicar características que incluyen 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 mejorador del rendimiento en envases de película a base de poliolefina. En las mezclas de poliolefina, el COC ofrece una mejora importante en el rendimiento, proporcionando un módulo mejorado, una mayor resistencia térmica y una mayor barrera para artículos termoformados como bandejas, junto con bolsas y bolsitas. Estas mezclas se procesan fácilmente en equipos de procesamiento de películas sopladas y fundidas convencionales dentro de los parámetros operativos estándar para poliolefinas.

El 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 65o y 180o C en función de las relaciones de comonómero. Como polímero amorfo, el COC no tiene un punto de fusión cristalino y, en cambio, comienza a ablandarse por encima de la Tg, volviéndose cada vez más fluido a medida que aumentan las temperaturas. Este material incoloro y transparente 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. Durante muchos años, los procesadores han reprocesado recortes y desechos de COC/PE directamente para volver a producirlos. Al reconocer la creciente importancia de la reciclabilidad, pruebas recientes han demostrado que el COC es compatible con los flujos de reciclaje posconsumo de PE y PP en Europa, y con el PE para contenedores en los Estados Unidos. Se están realizando más pruebas, incluido el protocolo de película de PE más reciente de EE. UU.

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 añadido al LLDPE duplicará o triplicará su módulo manteniendo un nivel de turbidez bajo. 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 proporcione el mismo rendimiento a un costo reducido basado en el área, ofreciendo así importantes beneficios de sostenibilidad.

Cuando se utilizan grados de Tg más altos de COC, estas mejoras de módulo se mantienen hasta temperaturas cercanas a la Tg del COC, lo que mejora el rendimiento del 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 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 tienen mejor formabilidad, óptica, tenacidad y resistencia a la perforación en comparación con películas coextruidas de EVA/ionómero similares a un costo comparable. Las películas multicapa COC/LLDPE diseñadas también pueden compararse favorablemente con muchas estructuras a base de nailon y, al mismo tiempo, eliminan la necesidad de capas adhesivas. La eliminación de las capas de unión y las resinas no olefínicas simplifica la logística de producción y permite el uso de películas de desecho recicladas debido a la compatibilidad entre el COC y el polietileno.

El COC también se utiliza cada vez más para producir películas barrera de alta claridad para envases. El COC tiene capacidades de barrera contra la humedad, que son de cuatro a cinco veces mejores que el LDPE. Las mezclas que están compuestas por más del 70 % de COC generalmente proporcionan hasta el 90 % del rendimiento de barrera del COC puro y, a diferencia del HDPE, mantienen una baja turbidez. 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 el COC se utiliza en una capa discreta. El COC también suele proporcionar una resistencia de barrera a aromas y fragancias entre cinco y diez veces mayor que el LLDPE. Aunque el COC no ofrece una alta barrera a los gases, su rendimiento sigue siendo significativamente mejor que el del polietileno y se puede utilizar para adaptar la permeación para cumplir con la resistencia de barrera específica al oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono requerida en el embalaje.

Las aplicaciones de COC tienden a realizarse en áreas donde los materiales tradicionales no pueden cumplir con 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 cumplir con las demandas de pureza o térmicas 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 (mediante mezclas o capas múltiples) para mejorar propiedades como la resistencia química y al calor, la estabilidad dimensional, la barrera, la termoformabilidad y más. Un área donde el COC es limitado es el contacto con grasas, aceites y combustibles. Estos materiales no polares pueden permear el COC y dañar la superficie.

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

El 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 el COC y se utiliza en muchas de las mismas aplicaciones, y cada una tiene ventajas menores en determinadas categorías de rendimiento. Sin embargo, el COP se fabrica mediante un proceso más complejo que el COC, lo que a menudo hace que el COC sea una opción más rentable.

El COC es una adición vital al arsenal de materiales médicos y de embalaje. Permite una mejor estabilidad de los medicamentos y una capacidad inigualable de diagnóstico de enfermedades, 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 requisitos de rendimiento complejos y permite muchas de las tendencias crecientes en la industria médica, incluida la complejidad de los medicamentos, las pruebas en el lugar de atención y los dispositivos portátiles. La necesidad de envases eficientes y sostenibles seguirá impulsando el crecimiento en los mercados de envases.

Sobre el Autor

Timothy Kneale es presidente de TOPAS Americas, Polyplastics USA. Formado como ingeniero químico, Kneale ha desempeñado diversos cargos de liderazgo técnico y desarrollo de productos en la industria del plástico. Desde 2008 lidera el negocio de TOPAS COC en América. Polyplastics Co., Ltd., a través de su filial 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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