医療用プラスチック101：環状オレフィン共重合体

ティモシー・ニール 2021 年 2 月 2 日

環状オレフィンコポリマー (COC) は、ポリオレフィンファミリーのユニークなメンバーであり、ポリエチレン (PE) やポリプロピレン (PP) などの高容量材料も含まれます。 数十年前に導入され、医療および包装用途で広く使用される材料になりました。 COC は非常に高純度で独特の特性があるため、高度な診断およびマイクロ流体用途で主要な材料となっています。 新しい医薬品分子や製剤が低純度のプラスチックやガラスに対する化学的感受性を高める傾向にあるため、プレフィルドシリンジ、バイアル、ブリスター、パウチ、軽量ウェアラブル製品などの一次医薬品包装にこの材料が使用されることがますます一般的になってきています。 PE および PP フィルムは、性能向上剤として COC を使用してフィルムを簡素化し、より複雑でリサイクル不可能な構造と競合します。

COC の魅力の 1 つは、ガラスのような透明度であり、ポリカーボネート (PC) やポリメチル メタクリレート (PMMA) などの従来のガラス代替品と同等またはそれを超えています。 医療用途にとって重要なことは、COC は蒸気、EtO、ガンマ線、過酸化水素を含むすべての標準的な方法で滅菌できることです。 どのポリマーよりも優れた UV 透過率を備えており、これは多くの診断分析にとって重要です。 170℃までの耐熱性を備えたグレードがあり、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）や蒸気滅菌条件にも容易に耐えます。 COC のもう 1 つの強力な利点は、攻撃的な極性化学物質に対する耐性です。 酸、塩基、アルコールなどに対して非常に耐性があります。 また、この樹脂は、あらゆるプラスチックの中で最も優れた湿気に対するバリアの 1 つを提供します。

医療設計における COC の利点は説得力があります。 この樹脂は、サブミクロンレベルであっても、射出成形によって信じられないほど微細なディテールを再現することができます。 また、優れた寸法安定性と低収縮性を備えており、ほとんどの競合樹脂では達成できない体積精度を実現します。

おそらく COC の最大の魅力は、その極めて高い純度と不活性にあるでしょう。 浸出物や抽出物が少ないため、薬物に直接接触するのに理想的ですが、イオンが実質的に存在しないため、敏感な製剤の効力が維持されます。 医療用ガラスですら機能しない、最も困難な薬物送達および包装用途で広く使用されています。 診断およびマイクロ流体アプリケーションでは、同じ特性により、分析または処理される材料が汚染されていないことが保証され、分析精度と製品の純度が最大化されます。 ご想像のとおり、生体適合性、USP 661.1、FDA の医薬品およびデバイスのマスター ファイルを含む USP クラス VI および ISO 10993 への準拠により、法規制への準拠は COC にとって大きな利点となります。

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックにより、診断用使い捨て製品やワクチンや治療用包装材としての COC への関心が高まっています。 COC は、ホウケイ酸ガラスが独占してきた市場である医療用シリンジやバイアル、さらには使い捨ての診断用容器に対する材料ソリューションとして長年使用されてきました。

COC は新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の検査用途に使用されており、新しいワクチンや治療法での使用に向けた開発が進行中です。 さまざまな新しい検査や治療法が検討されているため、企業は開発に最も純粋で最も不活性な製品を使用しています。 新型コロナウイルス感染症ワクチン用のガラスバイアルの不足に対する製薬業界の懸念の高まりにより、COCへの関心はさらに高まっています。

COCは、ワクチンバイアルの製造に使用されるホウケイ酸ガラスの潜在的な不足を緩和するのに役立つ可能性がある。 安価なホウケイ酸ガラスは今日の業界のニーズを満たしていますが、ガラスと互換性のない新しい薬剤や治療法も存在しています。 特に、COC は、より多くのバイオテクノロジー由来の有効成分が出現するにつれて重要な役割を果たす可能性があります。

この材料は、浸出物や抽出物が非常に少なく、非極性で低反応性の表面と広範な世界的規制に準拠しているため、診断用使い捨て製品やワクチンや治療薬の包装に最適です。 COC は現在、世界的な医療大手企業の多くの医療用途で商用化されています。 この材料は超高純度を提供し、その不活性な性質により反応や分析への干渉を防ぎます。 その他の重要な機能には、優れた光学性能 (91% の透明度) に加え、優れた UV 透過性と低複屈折が含まれます。

COC は、その利点がより広く知られるようになり、供給が増加し続けるにつれて、医療分野で大きな市場成長を遂げています。 プレフィルドシリンジは、COC シリンジによってもたらされる卓越した純度およびその結果得られる薬物の安定性に基づいて構築された、注目に値する成功事例です。 もう 1 つの急成長している用途はウェアラブル インスリン送達デバイスです。COC の純度と寸法安定性により、高い効力と正確な投薬制御が実現します。

さまざまな機器が耐薬品性のために COC を使用しており、特に骨セメントミキサーは専門分野ですが、ブレンドによって PE と PP の性能を向上させるために COC を使用する医療機器の数が急増しており、それによってより高価なポリマーに取って代わります。 診断の面では、病気の検査に使用される COC ディスポーザブルの人気が高まっており、より正確な分析が必要な場合に PP やポリスチレン (PS) に代わって大部分が使用されています。

マイクロ流体アプリケーションは長年にわたって進化し、いくつかの技術革新の恩恵を受けてきました。 新しい設計により、研究室で行われる単純な微量分析から、急速に成長しているポイントオブケア (POC) 診断分野まで用途が拡大しました。 これらの進歩に伴い、バイオチップ、カートリッジ、その他のマイクロ流体コンポーネントの製造に使用される材料の選択も進化し続けています。 ガラスやシリコーンなどのポリマーが長年にわたって主流でした。 最近では、環状オレフィン共重合体が非常に有用かつ魅力的なマイクロ流体材料として浮上しており、高い光学的および UV 透明性、低い吸水性、優れた防湿性、および化学分析で使用される主要な有機溶媒を含む化学薬品に対する優れた耐性を備えています。

COC のユニークな特性により、COC は分析システム、研究、生物医学装置で使用されるマイクロ流体部品の設計と製造に優れた材料となります。 COC を使用すると、低から中程度のスループットを実現するホット エンボス加工や、大量の詳細な部品をより迅速に生産するための射出成形などの製造プロセスで、マイクロチャネルなどの機能を複製できます。

環状オレフィンコポリマーは、ポリオレフィンベースのフィルム包装における性能向上剤としての有用性が高まっています。 ポリオレフィンブレンドでは、COC は大幅な性能アップグレードを提供し、バッグやパウチに加えてトレイなどの熱成形品の弾性率の向上、耐熱性の向上、およびバリアの強化を実現します。 これらのブレンドは、ポリオレフィンの標準操作パラメータ内で従来のキャストおよびインフレーションフィルム処理装置で容易に処理されます。

COC は、メタロセン触媒を使用したエチレンとノルボルネンの重合に基づいています。 この材料のガラス転移温度 (Tg) は、コモノマー比の関数として 65℃ ～ 180℃ の範囲です。 非晶質ポリマーである COC は結晶融点を持たず、代わりに Tg を超えると軟化し始め、温度が上昇するにつれて流動性が増します。 この無色透明な材料は高い弾性率を有し、従来のポリエチレン グレードとの強い互換性を備えています。 相溶性は、LLDPE や HDPE などの直鎖状ポリエチレン製品と最もよく、LDPE にも許容されます。 加工業者は長年にわたり、COC/PE トリムとスクラップを再処理して直接生産に戻してきました。 リサイクル可能性の重要性が高まっていることを認識し、最近のテストでは、COC がヨーロッパの PE および PP の消費者リサイクルの流れ、および米国の容器用 PE と互換性があることが示されました。 最新の米国の PE フィルムプロトコルを含む、さらなるテストが進行中です。

ブレンド成分として、COC は弾性率を高め、単層フィルムの厚さを薄くするために最も一般的に使用されます。 300,000 psi 範囲の弾性率では、LLDPE にわずか 10% の COC を添加すると、低いヘイズ レベルを維持しながら弾性率が 2 倍または 3 倍になります。 単純な単層フィルムまたは共押出フィルムの一部として、LLDPE/COC ブレンドを使用すると、多くの場合、より薄いフィルムで面積ベースのコストを削減しながら同じ性能を実現できるため、持続可能性に関する重要な利点が得られます。

より高い Tg グレードの COC を使用すると、これらの弾性率の向上は COC の Tg に近づく温度まで維持され、ホットフィル性能が向上し、温度能力が向上します。 もう 1 つの重要な点は、LLDPE に COC を添加すると、フィルムの耐突き刺し性が向上するにもかかわらず、特に縦方向のエルメンドルフ引裂き値を大幅に低減できることです。 COC は、制御された直線引裂き添加剤として商業的に利用されています。 さらに、多くのオレフィン/COC フィルムは熱成形用途で商業的に使用されており、COC のアモルファス性により成形プロセスの均一性が向上し、深絞り (>10 cm) セクションやコーナーの厚さ制御が向上します。

環状オレフィンコポリマーは、多くの用途向けの多層ポリオレフィン包装フィルムの高性能化も可能にします。 COC/LLDPE 多層フィルムは、同等のコストベースで同様の EVA/アイオノマー共押出フィルムと比較して、成形性、光学、靭性、耐破壊性が向上しています。 加工された COC/LLDPE 多層フィルムは、接着結合層の必要性を排除しながら、多くのナイロンベースの構造と同等の性能を発揮します。 結合層と非オレフィン樹脂を除去すると、生産物流が簡素化され、COC とポリエチレンの相溶性により、リサイクルされたスクラップフィルムの使用が可能になります。

COC は、包装用の高透明バリアフィルムの製造にも使用されることが増えています。 COC は、LDPE よりも 4 ～ 5 倍優れた湿気バリア機能を備えています。 70% 以上の COC で構成されるブレンドは、通常、純粋な COC の最大 90% のバリア性能を提供し、HDPE とは異なり、低いヘイズを維持します。 COC はブレンド成分としてバリア性能を向上させることができますが、COC を個別の層で使用すると、最高のバリア性能が向上します。 また、COC は通常、LLDPE よりもアロマやフレグランスに対するバリア耐性が 5 ～ 10 倍優れています。 COC は高いガスバリア性を備えていませんが、その性能はポリエチレンよりも大幅に優れており、包装に必要な特定の酸素、窒素、および二酸化炭素のバリア抵抗を満たすように透過性を調整するために使用できます。

COC の用途は、従来の材料では 1 つ以上の性能要件に対応できない分野に使用される傾向があります。 PC は医療用途で広く使用されており、COC よりも優れた衝撃特性と延性を備えていますが、医療用途の純度や熱の要求を満たせない場合があります。 一方、PMMA の衝撃特性は COC に似ていますが、アクリルの耐熱性は COC に比べて著しく劣ります。 ポリオレフィンの世界では、COC が安価な PE や PP と競合することはほとんどありませんが、耐熱性や耐薬品性、寸法安定性、バリア、熱成形性などの特性を強化するために、これらの材料と (ブレンドまたは多層化によって) 組み合わせられることがよくあります。 COC が制限される領域の 1 つは、脂肪、油、燃料との接触です。 これらの非極性物質は COC に浸透し、表面を傷つける可能性があります。

他のポリオレフィンとは異なり、COC は非晶質ポリマーです。 これにより、PC や PMMA などの広く使用されている医療用樹脂と同様の加工特性が得られます。 射出成形が可能で、ブリスター包装やバリアパウチなどの押出医療用フィルム製品にも使用されます。 多くのトップフィルムメーカーと同様に、多くの大手医療用射出成形業者は COC について十分な経験を持っています。

COC は、COP (環状オレフィン ポリマー) として知られる別の非晶質ポリオレフィンの化学的親戚です。 この樹脂は COC と多くの高性能特性を共有しており、同じ用途の多くで使用されていますが、それぞれが特定の性能カテゴリーで若干の利点を持っています。 ただし、COP は COC よりも複雑なプロセスを経て製造されるため、多くの場合、COC がよりコスト効率の高い選択肢になります。

COC は、医療および包装材料の武器庫に不可欠な追加物です。 これにより、プラスチックフィルムの性能とリサイクル性が向上すると同時に、薬剤の安定性が向上し、比類のない疾患診断能力が実現します。 この材料は複雑な性能要件を満たし、医薬品の複雑さ、ポイントオブケア検査、ウェアラブルデバイスなど、医療業界の成長トレンドの多くを可能にするため、今後も力強い成長が続くことが予想されます。 効率的で持続可能な包装の必要性は、包装市場の成長を促進し続けるでしょう。

著者について

Timothy Kneale は、ポリプラスチックス USA の TOPAS Americas の社長です。 化学エンジニアとして訓練を受けた Kneale は、プラスチック業界のさまざまな製品開発および技術的指導的役割を担ってきました。 2008 年以来、南北アメリカにおける TOPAS COC ビジネスを指揮しています。 ポリプラスチックス株式会社は、子会社の TOPAS Advanced Polymers GmbH を通じて、TOPAS のブランド名で販売されている COC の大手メーカーです。 詳細については、topas.com にアクセスするか、[email protected] で Kneale までお問い合わせください。

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