Plastiques médicaux 101 : Copolymère d'oléfine cyclique

Timothée Kneale | 02 février 2021

Le copolymère d'oléfine cyclique (COC) est un membre unique de la famille des polyoléfines, qui comprend également des matériaux à haut volume comme le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP). Il a été introduit il y a quelques décennies et est devenu un matériau largement utilisé dans les applications médicales et d'emballage. La pureté extrêmement élevée et les propriétés uniques du COC en ont fait le matériau dominant dans les applications diagnostiques et microfluidiques avancées. L'utilisation du matériau dans les emballages primaires de médicaments - sous la forme de seringues préremplies, de flacons, de blisters, de sachets et de vêtements légers - est devenue de plus en plus courante à mesure que les nouvelles molécules et formulations pharmaceutiques tendent vers une plus grande sensibilité chimique aux plastiques et au verre de moindre pureté. Les films PE et PP utilisent le COC comme améliorateur de performances pour simplifier les films et rivaliser avec des structures plus complexes et moins recyclables.

Une partie de l'attrait du COC est sa clarté semblable au verre, qui correspond ou dépasse les substituts de verre traditionnels comme le polycarbonate (PC) et le polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Fait important pour les usages médicaux, le COC est stérilisable par toutes les méthodes standard, y compris la vapeur, l'EtO, le gamma et le peroxyde d'hydrogène. Il a la meilleure transmission UV de tous les polymères, ce qui est essentiel pour de nombreuses analyses de diagnostic. Des grades résistants à la chaleur jusqu'à 170 °C sont disponibles, résistant facilement aux conditions de réaction en chaîne par polymérase (PCR) et de stérilisation à la vapeur. Un autre avantage puissant du COC est sa résistance aux produits chimiques polaires agressifs. Il est très tolérant aux acides, bases, alcools, etc. La résine fournit également l'une des meilleures barrières à l'humidité de tout plastique.

Les avantages du COC dans la conception médicale sont convaincants. La résine est capable de reproduire des détails incroyablement fins par moulage par injection, même au niveau submicronique. Il a également une stabilité dimensionnelle exceptionnelle et un faible retrait, permettant une précision volumétrique que la plupart des résines concurrentes ne peuvent égaler.

Le principal attrait du COC est peut-être sa pureté et son inertie extrêmement élevées. Ses faibles substances lixiviables et extractibles le rendent idéal pour le contact direct avec les médicaments, tandis que la quasi-absence d'ions préserve la puissance des formulations sensibles. Il est largement utilisé dans les applications d'administration et d'emballage de médicaments les plus difficiles où même le verre médical ne fonctionne pas. Dans les applications de diagnostic et de microfluidique, les mêmes caractéristiques garantissent que le matériau analysé ou traité reste non contaminé, maximisant la précision analytique et la pureté du produit. Comme on pouvait s'y attendre, la conformité réglementaire est un avantage considérable pour le COC, avec la conformité USP Classe VI et ISO 10993, y compris la biocompatibilité, USP 661.1 et les fichiers maîtres des médicaments et dispositifs de la FDA.

La pandémie de COVID-19 a suscité un regain d'intérêt pour les COC pour les produits jetables de diagnostic et pour les emballages de vaccins et thérapeutiques. Le COC est une solution matérielle de longue date pour les seringues et flacons médicaux, ainsi que pour les conteneurs de diagnostic jetables, marchés qui ont été dominés par le verre borosilicaté.

Le COC est utilisé dans les applications de test COVID-19, et des développements sont en cours pour son utilisation dans de nouveaux vaccins et thérapies. Avec une gamme de nouveaux tests et thérapies à l'étude, les entreprises utilisent les produits les plus purs et les plus inertes pour leurs développements. L'intérêt pour les COC a été encore accru par l'inquiétude croissante dans l'industrie pharmaceutique d'une pénurie de flacons en verre pour les vaccins COVID-19.

Le COC pourrait servir à atténuer une pénurie potentielle de verre borosilicaté utilisé pour fabriquer des flacons de vaccins. Alors que le verre borosilicaté bon marché répond aux besoins actuels de l'industrie, il existe des médicaments et des thérapies émergents qui sont incompatibles avec le verre. En particulier, le COC pourrait jouer un rôle vital à mesure que de plus en plus d'ingrédients actifs dérivés de la biotechnologie émergent.

Les substances lixiviables et extractibles extrêmement faibles du matériau, ainsi que sa surface non polaire à faible réactivité et sa large conformité réglementaire mondiale en font la solution idéale pour les produits jetables de diagnostic et pour le conditionnement de vaccins et d'agents thérapeutiques. COC est actuellement commercialisé dans de nombreuses applications médicales dans les principales sociétés mondiales de soins de santé. Le matériau offre une pureté ultra élevée et sa nature inerte empêche les interférences avec les réactions et les analyses. Les caractéristiques clés supplémentaires incluent des performances optiques supérieures (clarté de 91 %) ainsi qu'une excellente transparence aux UV et une faible biréfringence.

COC connaît une forte croissance du marché dans le secteur médical à mesure que ses avantages deviennent plus largement connus et que l'offre continue d'augmenter. Les seringues préremplies sont une réussite notable, s'appuyant sur la pureté exceptionnelle et la stabilité du médicament qui en résulte délivrées par les seringues COC. Une autre application en plein essor est celle des dispositifs d'administration d'insuline portables, où la pureté et la stabilité dimensionnelle des COC se traduisent par une puissance élevée et un contrôle précis des médicaments.

Divers dispositifs utilisent le COC pour la résistance chimique, les mélangeurs de ciment osseux étant une spécialité, tandis qu'il y a eu une augmentation du nombre de dispositifs médicaux utilisant le COC pour améliorer les performances du PE et du PP via le mélange, remplaçant ainsi des polymères plus coûteux. Sur le front du diagnostic, les COC jetables utilisés dans les tests de maladies sont de plus en plus populaires, remplaçant largement le PP et le polystyrène (PS) lorsque des analyses plus précises sont nécessaires.

Les applications microfluidiques ont évolué et ont bénéficié de plusieurs innovations au fil des années. De nouvelles conceptions ont élargi l'utilisation de la simple microanalyse effectuée en laboratoire au domaine en croissance rapide des diagnostics au point de service (POC). Avec ces avancées, le choix des matériaux utilisés pour fabriquer des biopuces, des cartouches et d'autres composants microfluidiques continue également d'évoluer. Le verre et les polymères comme le silicone ont été les piliers pendant de nombreuses années. Plus récemment, le copolymère d'oléfines cycliques est devenu un matériau microfluidique très utile et attrayant, offrant une clarté optique et UV élevée, une faible absorption d'eau, une barrière à l'humidité exceptionnelle et une excellente résistance aux produits chimiques, y compris les principaux solvants organiques utilisés dans l'analyse chimique.

Les propriétés uniques du COC en font un excellent matériau pour la conception et la fabrication de pièces microfluidiques utilisées dans les systèmes analytiques, la recherche et les dispositifs biomédicaux. Le COC peut être utilisé pour reproduire des caractéristiques telles que des microcanaux avec des processus de fabrication tels que le gaufrage à chaud pour un débit faible à moyen et le moulage par injection pour une production plus rapide de pièces détaillées en grande quantité.

Le copolymère d'oléfine cyclique trouve une utilité accrue en tant qu'améliorateur de performances dans les emballages en film à base de polyoléfine. Dans les mélanges de polyoléfines, le COC offre une amélioration majeure des performances, offrant un module amélioré, une plus grande résistance thermique et une barrière accrue pour les articles thermoformés tels que les barquettes, ainsi que les sacs et les sachets. Ces mélanges sont facilement traités sur un équipement de traitement de film coulé et soufflé conventionnel dans les paramètres de fonctionnement standard pour les polyoléfines.

Le COC est basé sur la polymérisation de l'éthylène et du norbornène à l'aide de catalyseurs métallocènes. Le matériau a une température de transition vitreuse (Tg) allant de 65o à 180oC en fonction des rapports de comonomères. En tant que polymère amorphe, le COC n'a pas de point de fusion cristallin et commence plutôt à se ramollir au-dessus de Tg, devenant de plus en plus fluide à mesure que les températures augmentent. Ce matériau incolore et limpide possède un module élevé et offre une forte compatibilité avec les grades de polyéthylène conventionnels. La compatibilité est meilleure avec les produits en polyéthylène linéaire tels que le LLDPE et le HDPE, et est acceptable pour le LDPE. Pendant de nombreuses années, les transformateurs ont retraité les déchets et les chutes de COC/PE directement dans la production. Reconnaissant l'importance croissante de la recyclabilité, des tests récents ont montré que le COC est compatible avec les flux de recyclage post-consommation du PE et du PP en Europe, et avec le PE pour les conteneurs aux États-Unis. D'autres tests sont en cours, y compris le dernier protocole de film PE américain.

En tant que composant de mélange, le COC est le plus couramment utilisé pour améliorer le module et permettre la réduction d'épaisseur d'un film monocouche. Avec un module de l'ordre de 300 000 psi, aussi peu que 10 % de COC ajouté au LLDPE doublera ou triplera son module tout en maintenant un faible niveau de trouble. Que ce soit dans un simple film monocouche ou dans le cadre d'un film co-extrudé, un mélange LLDPE/COC permet souvent à un film plus fin de fournir les mêmes performances à un coût réduit basé sur la surface, offrant ainsi d'importants avantages en matière de durabilité.

Lorsque des qualités de Tg plus élevées de COC sont utilisées, ces améliorations de module sont maintenues jusqu'à des températures proches de la Tg du COC, améliorant les performances de remplissage à chaud et élevant la capacité de température. Un autre point important est que l'ajout de COC au LLDPE peut réduire considérablement les valeurs de déchirure Elmendorf, en particulier dans le sens machine, même s'il améliore la résistance à la perforation du film. Le COC est utilisé commercialement comme additif de déchirure linéaire contrôlé. De plus, de nombreux films d'oléfine / COC sont utilisés commercialement dans les applications de thermoformage où la nature amorphe du COC améliore l'uniformité du processus de formage, permettant un meilleur contrôle de l'épaisseur dans les sections et les coins à emboutissage profond (> 10 cm).

Le copolymère d'oléfine cyclique permet également des performances plus élevées dans les films d'emballage en polyoléfine multicouche pour de nombreuses applications. Les films multicouches COC / LLDPE ont une formabilité, une optique, une ténacité et une résistance à la perforation améliorées par rapport à des films co-extrudés EVA / ionomère similaires à un coût comparable. Les films multicouches COC/LLDPE techniques peuvent également se comparer favorablement à de nombreuses structures à base de nylon tout en éliminant le besoin de couches de liaison adhésives. L'élimination des couches de liaison et des résines non oléfiniques simplifie la logistique de production et permet l'utilisation de déchets de film recyclés en raison de la compatibilité entre le COC et le polyéthylène.

Le COC est également de plus en plus utilisé pour produire des films barrières à haute transparence pour les emballages. Le COC a des capacités de barrière contre l'humidité, qui sont quatre à cinq fois meilleures que le LDPE. Les mélanges composés de plus de 70 % de COC fournissent généralement jusqu'à 90 % des performances de barrière du COC pur et, contrairement au PEHD, maintiennent un faible voile. Bien que le COC puisse améliorer les performances de la barrière en tant que composant de mélange, la meilleure amélioration de la barrière est réalisée lorsque le COC est utilisé dans une couche discrète. Le COC offre également généralement une résistance barrière aux arômes et aux parfums cinq à dix fois supérieure à celle du LLDPE. Bien que le COC n'offre pas une barrière élevée contre les gaz, ses performances sont encore nettement meilleures que celles du polyéthylène et peuvent être utilisées pour adapter la perméation afin de répondre à la résistance spécifique de barrière à l'oxygène, à l'azote et au dioxyde de carbone requise dans l'emballage.

Les applications COC ont tendance à être dans des domaines où les matériaux traditionnels ne peuvent pas répondre à une ou plusieurs exigences de performance. Bien que le PC soit largement utilisé dans les applications médicales et offre des propriétés d'impact et une ductilité supérieures au COC, il ne peut parfois pas répondre aux exigences de pureté ou thermiques des applications médicales. D'autre part, les propriétés d'impact du PMMA sont similaires au COC, mais la résistance à la chaleur de l'acrylique est nettement inférieure au COC. Dans le monde des polyoléfines, le COC rivalise rarement avec le PE et le PP bon marché, mais est souvent combiné à ces matériaux (par mélange ou multicouche) pour améliorer les propriétés telles que la résistance à la chaleur et aux produits chimiques, la stabilité dimensionnelle, la barrière, la thermoformabilité, etc. Un domaine où le COC est limité est le contact avec les graisses, les huiles et les carburants. Ces matériaux non polaires peuvent imprégner le COC et abîmer la surface.

Contrairement aux autres polyoléfines, le COC est un polymère amorphe. Cela lui confère des caractéristiques de traitement similaires aux résines médicales largement utilisées telles que le PC et le PMMA. Il peut être moulé par injection et se retrouve également dans les produits de film médical extrudé tels que les emballages sous blister et les sachets barrières. De nombreux mouleurs par injection médicale de premier plan ont une expérience complète du COC, tout comme de nombreux fabricants de films de premier plan.

Le COC est un cousin chimique d'une autre polyoléfine amorphe, connue sous le nom de COP (polymère d'oléfine cyclique). Cette résine partage de nombreux attributs de haute performance avec le COC et est utilisée dans bon nombre des mêmes applications, chacune ayant des avantages mineurs dans certaines catégories de performances. Cependant, le COP est fabriqué via un processus plus complexe que le COC, ce qui fait souvent du COC un choix plus rentable.

Le COC est un ajout vital à l'arsenal de matériaux médicaux et d'emballage. Il permet une meilleure stabilité des médicaments et une capacité inégalée de diagnostic des maladies, tout en offrant des performances et une recyclabilité améliorées des films plastiques. Une forte croissance continue est attendue, car ce matériau répond à des exigences de performance complexes et permet de nombreuses tendances croissantes dans l'industrie médicale, y compris la complexité des médicaments, les tests au point de service et les dispositifs portables. Le besoin d'emballages efficaces et durables continuera de stimuler la croissance des marchés de l'emballage.

A propos de l'auteur

Timothy Kneale est président de TOPAS Americas, Polyplastics USA. Ingénieur chimiste de formation, Kneale a occupé divers postes de développement de produits et de leadership technique dans l'industrie des plastiques. Depuis 2008, il dirige l'activité TOPAS COC dans les Amériques. Polyplastics Co., Ltd., via sa filiale TOPAS Advanced Polymers GmbH, est un fabricant leader de COC, commercialisé sous la marque TOPAS. Pour plus d'informations, visitez topas.com ou contactez Kneale à [email protected]

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