CN102350277B - 具双模式成像与光动力活性功能的复合微球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具双模式成像与光动力活性功能的复合微球及其制备方法。该复合微球包含疏水性聚合物、疏水光敏剂以及上转换发光纳米晶。其制备方法为：取油溶稳定的上转换发光纳米晶、疏水性聚合物和疏水性光敏剂于有机溶剂中混合后，再加入含表面活性剂的水溶液，乳化形成稳定微乳液体系，而后蒸发除去该微乳液体系中的有机溶剂，离心分离出残余溶液中的沉淀物，该沉淀物经纯化得到目标产物。本发明的复合微球集光学成像、磁共振成像等功能与光动力活性于一体，可用于影像学检测与光动力治疗，且制备工艺简单易操作。本发明在生物和医学等领域具有广泛的应用前景。

Description

具双模式成像与光动力活性功能的复合微球及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料生物成像与治疗技术领域的一种复合微球，特别是涉及一种集上转换发光与磁共振双模式成像及光动力活性功能的复合微球及其制备方法。
背景技术
影像学检测与光动力治疗是疾病诊疗的重要方法，其中双模式生物成像在诊断中具有更高的准确性，而光动力疗法具有微创性、靶向性的独特优势。
随着纳米生物医学研究的发展，以具有荧光及磁性的材料构建磁-光复合材料用于成像检测的生物应用研究已经成为纳米材料科研领域普遍关注的热点。其中以超顺磁氧化铁纳米颗粒为磁性物质的磁光复合材料研究最为广泛，比如将磁性氧化铁纳米粒子与荧光染料Cy5.5(或其它发光材料)共价偶联在一起制备集顺磁与荧光性质于一身的材料并用于肿瘤细胞的双功能成像研究；或者通过合成Fe3O4-CdSe等异质晶体颗粒将半导体量子点等发光材料与磁性颗粒结合在一起，能够实现荧光与磁性复合功能。然而这些以磁性与发光两种物质相结合的复合材料在制备与生物应用过程中都存在严重的问题，首先，在制备过程中磁性与发光两种物质的成份不易控制，难于重复性制备磁光性质一致的材料；其次，复合材料的结构复杂，繁琐的制备过程容易对材料的基本性能造成不利的影响；最主要的问题是磁性氧化铁颗粒在可见光区有极强的吸收性能，很容易降低甚至猝灭发光物质的发光强度，进而影响利用荧光性质进行光学成像或应用的效果；特别是目前发展的磁性-发光材料应用单一仅限于成像检测应用而不具备光动力活性等功能。
发明内容
本发明的目的针对现有技术中的不足，提供一种具双模式成像与光动力活性功能的复合微球及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种具双模式成像与光动力活性功能的复合微球，其特征在于，它包含被包裹于疏水性聚合物中的上转换发光纳米晶和疏水光敏剂。
具体而言，所述上转换发光纳米晶包括油溶稳定的、含Gd3+的上转换发光纳米晶。
所述上转换发光纳米晶为NaGdF4：Yb3+/Er3+上转换纳米晶和/或NaYF4：Gd3+/Er3+/Yb3+上转换纳米晶，且所述上转换发光纳米晶表面具有疏水配体，所述疏水配体至少为油酸、油胺和TOPO的任意一种。
所述疏水性聚合物包括经水解反应可产生羧基官能团的油溶性高分子聚合物，该油溶性高分子聚合物至少为聚马来酸酐与十八碳烯的交替共聚物、聚马来酸酐-苯乙烯共聚物和甲基丙烯酸碳十四烷基酯-马来酸酐共聚物中的任意一种。
所述光敏剂为可被所述上转换发光纳米晶的发射光所敏化的光敏疏水性化合物，其至少选自部花青540和酞菁锌中的任意一种。
一种具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，该方法为：取油溶稳定的上转换发光纳米晶、疏水性聚合物和疏水性光敏剂于有机溶剂中混合后，再加入含表面活性剂的水溶液，乳化形成稳定微乳液体系，而后蒸发除去该微乳液体系中的有机溶剂，离心分离出残余溶液中的沉淀物，该沉淀物经纯化得到目标产物；
进一步的，所述疏水性聚合物包括经水解反应可产生羧基官能团的油溶性高分子聚合物；
所述光敏剂为可被上转换发光纳米晶的发射光所敏化的光敏疏水性化合物；
所述有机溶剂为与水不混溶，且沸点低于水的有机溶剂。
该方法包括如下步骤：
S1.取上转换发光纳米晶和疏水性聚合物分散在有机溶剂中，混合形成含上转换纳米晶与疏水性聚合物的均一溶液；
S2.取疏水性光敏剂分散于有机溶剂中，形成光敏剂溶液；
S3.取步骤S 1所得均一溶液与步骤S2所得光敏剂溶液混合均匀，再按照1∶5～1∶20的体积比与含有0.2wt％以上表面活性剂的水溶液混合，经乳化处理形成稳定的微乳液体系；
S4.在持续搅拌的条件下，加热蒸干该微乳液体系中的有机溶剂，并离心分离出残余溶液中的沉淀物，将沉淀物纯化后获得目标产物。
所述上转换发光纳米晶包括油溶稳定的、含Gd3+的上转换发光纳米晶。
所述上转换发光纳米晶至少为NaGdF4：Yb3+/Er3+上转换纳米晶和/或NaYF4：Gd3+/Er3+/Yb3+上转换纳米晶，且所述上转换发光纳米晶表面具有疏水配体，所述疏水配体至少为油酸、油胺和TOPO的任意一种。
所述疏水性聚合物至少为经水解反应可产生羧基官能团的油溶性高分子聚合物，该油溶性高分子聚合物至少为聚马来酸酐与十八碳烯的交替共聚物、聚马来酸酐-苯乙烯共聚物和甲基丙烯酸碳十四烷基酯-马来酸酐共聚物中的任意一种。
所述光敏剂至少为部花青540和酞菁锌中的任意一种。
所述有机溶剂至少为环己烷、二氯甲烷、氯仿和正己烷中的任意一种或两种以上的组合。
所述表面活性剂至少为SDS、DTAB和CTAB中的任意一种或两种以上的组合。
步骤S4具体为：
在持续搅拌的条件下，加热蒸干该微乳液体系中的有机溶剂，并离心分离出残余溶液中的沉淀物，再将沉淀物置于温度在50℃以下、pH值＞14的水溶液中搅拌反应10h以上，而后离心分离出该水溶液中的微球，获得目标产物。
所述疏水性聚合物与上转换纳米晶的质量比在0.5与5之间。
本发明以含Gd3+的上转换发光纳米晶为发光物质与顺磁性造影剂，通过与含酸酐基团的亲油性聚合物及疏水性光敏剂一步法组装形成复合功能微球。具体的讲，本发明采用微乳液组装技术利用疏水纳米晶、疏水性聚合物等分子间的范德华力形成复合微球，构建具有双模式成像与光动力活性功能的复合纳米微球。该方法以简单的含Gd3+上转换纳米晶替代以磁性与发光两种物质相结合的磁光复合材料，以单一材料实现磁、光两种功能，且两种功能之间无相互干扰。相对现有技术此方法具有制备过程简单、成本低廉、易于控制微球成份调节不同功能的优势。同时，克服现有材料检测准确性差、功能单一的缺点，在功能上具有高度集成性，在生物检测、临床诊断与治疗等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明具有双模式成像与光动力治疗功能的复合微球的结构示意图；
图2为实施例1中复合微球的透射电镜照片；
图3为实施例1中复合微球在980nm光源激发下的发射光谱(实线)及其所选用ZnPc光敏剂的吸收光谱(虚线)；
图4为实施例1中复合微球在不同浓度下的磁共振造影图片；
图5为实施例1中复合微球在连续光980nm激发不同时间条件下产生单线态氧对9，10-二亚甲基丙二酸蒽(ABDA)发光强度的猝灭效应曲线图；
图6为实施例2中复合微球的透射电镜照片；
图7是实施例2中复合微球在980nm光源激发下的发射光谱(黑色实线)及其所选用M-540光敏剂的吸收光谱(黑色虚线)；
图8为实施例3中复合微球的透射电镜照片；
图9为实施例4中复合微球的透射电镜照片。
具体实施方式
本发明利用含Gd3+的上转换发光纳米晶为发光基元，选用富含酸酐基团的亲油性聚合物，及吸收光谱与含Gd3+上转换纳米晶的发光谱带相交叠，可被上转换发射光敏化的疏水性光敏剂共同组装构建成像与光动力活性于一体的纳米晶-光敏剂/聚合物的复合微球，在复合体内上转换纳米晶在生物医学检测中可作为低生物背景的荧光成像剂和造影剂等；同时，利用纳米晶的发光敏化光敏分子使材料具有光动力活性，并且，复合体表面丰富的酸酐基团使其易于进行靶向修饰，从而克服现有材料功能单一等的不足。
本发明复合微球结构如图1所示，其制备方法具体如下：
S1.取油溶稳定的NaGdF4：Yb3+/Er3+上转换发光纳米晶分散在与水不混溶且沸点低于水的有机溶剂中配制一定浓度的NaGdF4：Yb3+/Er3+有机溶液，另取一定质量含酸酐基团的疏水性高分子聚合物溶解于相同有机溶剂中配制一定浓度的聚合物有机溶液，两种溶液按一定配比混合形成NaGdF4：Yb3+/Er3+与聚合物的均一溶液；
S2.取疏水性且可被NaGdF4：Yb3+/Er3+的550nm或654nm上转换发射光敏化的光敏剂分散于沸点低于水的有机溶剂中。
S3.取步骤S1中配制的NaGdF4：Yb3+/Er3+与聚合物的均一溶液按一定配比与步骤S2中配制的光敏剂溶液混合均匀，再按照1∶5～1∶20的体积比与含有0.2wt％以上表面活性剂的水溶液混合，经乳化处理形成稳定微乳液体系；
S4.在持续搅拌的条件下，加热上述微乳液体系至蒸干该微乳液体系中的有机溶剂，离心分离出残余溶液中沉淀物，得到目标复合功能微球。
进一步的讲，步骤S1中所述的NaGdF4：Yb3+/Er3+纳米晶为油酸，油胺，TOPO等疏水配体稳定的油溶性纳米晶，其发光性质可通过控制Yb3+与Er3+的相对含量调节，其NaGdF4：Yb3+/Er3+有机溶液浓度可按实验需要配制，一般为10mg/mL；
步骤S1中所述的含酸酐基团的疏水性高分子聚合物是指一种经水解反应可产生羧基官能团的油溶性高分子聚合物，其特征为分子内同时含有疏水碳链和酸酐基团，整个分子显疏水性，比如：聚马来酸酐与十八碳烯的交替共聚物(PMAO)，聚马来酸酐-苯乙烯共聚物，甲基丙烯酸碳十四烷基酯-马来酸酐共聚物等，其有机溶液浓度可按实验需要配制，一般为10mg/mL；
所述与水不混溶且沸点低于水的有机溶剂优选选用但不局限于环己烷、二氯甲烷、氯仿和正己烷中的任意一种或两种以上的组合。
步骤S2中所述的光敏剂为疏水性分子且可被Yb3+/Er3+共掺杂上转换发光550nm或654nm发射光敏化，如：部花青540(M-540)，酞菁锌(ZnPc)等；
步骤S3所述表面活性剂优选选用但不局限于SDS、DTAB和CTAB中的任意一种或两种以上的组合。
步骤S3中所述的乳化处理是经高速搅拌和/或超声处理实现的。
步骤S4中是通过将微乳液体系的温度加热升高至室温至有机溶剂的沸点之间，从而蒸干微乳液体系中的有机溶剂，所述有机溶剂的沸点低于水的沸点。
步骤S4中还可将获得的沉淀物分散于水中，而后再加入NaOH、KOH等的水溶液调pH值大于14，在低于50℃下缓慢搅拌反应10h以上，目的是水解微球表面酸酐基团为羧基，使微球具有亲水性同时可用于偶联生物分子。
以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1该具有双模式成像与光动力治疗功能复合微球的制备方法为：
将油酸稳定的NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+上转换纳米晶分散于CH2Cl2中，浓度为10mg/mL；取光敏剂酞菁锌(ZnPc)分散于四氢呋喃(THF)溶剂中配制ZnPc的四氢呋喃饱和溶液，取十八碳烯与马来酸酐的交替共聚物(PMAO)溶解于CH2Cl2中，浓度为10mg/mL。分别取0.4mL NaGdF4：Yb3+/Er3+溶液、0.3mL的PMAO溶液、0.15mLZnPc的THF饱和溶液加入反应器中配制NaGdF4：Yb3+/Er3+，ZnPc，PMAO混合溶液体系，另向体系中加入0.15mL的CH2Cl2使有机体系总体积为1mL。
称取十二烷基磺酸钠(SDS)50mg溶解于10mL去离子水中，将配制好的NaGdF4：Yb3+/Er3+，ZnPc，PMAO混合溶液加入SDS的去离子水溶液中，其中有机相与水相溶液的体积比为1∶10，采用2000rpm机械搅拌45min乳化体系形成稳定的微乳液。
将微乳液体系放入40℃水浴中在恒常搅拌5h蒸干CH2Cl2，组装形成表面活性剂SDS稳定的NaGdF4：Yb3+/Er3+-ZnPc/PMAO微球。
微球经离心清洗后再分散于去离子水中，向体系中加入NaOH水溶液调PH值大于14，在50℃水浴下恒温搅拌反应10h以上，经离心收集得到目标产物。
请参阅图2，本实施例由NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+纳米晶、ZnPc光敏剂、PMAO聚合物组装的复合微球分散性良好，粒子尺寸在200～300nm之间。
请参阅图3，本实施例选用油酸配体稳定的NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+纳米晶在980nm光源激发下的发射光谱(黑色实线)，及其所选用ZnPc光敏剂的吸收光谱(黑色虚线)。
请参阅图4，本实施例制备的复合微球不同浓度下的磁共振造影情况(T1加权)。
请参阅图5，本实施例以9，10-二亚甲基丙二酸蒽(ABDA)为单线态氧检测试剂测定连续光980nm激发不同时间条件下复合微球的单线态氧的产生情况，随着照射时间的延长检测分子的发光强度受单线态氧猝灭效应影响显著降低，表明具有高的单线态氧产率。
实施例2该具有双模式成像与光动力治疗功能复合微球的制备方法为：
将油酸稳定的NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+上转换纳米晶分散于CH2Cl2中，浓度为10mg/mL；取545nm上转换发光可敏化的光敏分子部花青540(M-540)分散于四氢呋喃(THF)溶剂中配制M-540的四氢呋喃饱和溶液；取十八碳烯与马来酸酐的交替共聚物(PMAO)溶解于CH2Cl2中，浓度为10mg/mL。分别取0.4mLNaGdF4：Yb3+/Er3+溶液、0.2mL的PMAO溶液、0.15mL M-540的THF饱和溶液加入反应器中配制NaGdF4：Yb3+/Er3+，M-540，PMAO混合溶液体系，另向体系中加入0.25mL的CH2Cl2使有机体系总体积为1mL。
称取十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)56mg溶解于10mL去离子水中，将配制好的NaGdF4：Yb3+/Er3+，M-540，PMAO混合溶液加入DTAB的去离子水溶液中，其中有机相与水相溶液的体积比为1∶10，采用2000rpm机械搅拌45min乳化体系形成稳定的微乳液。
将微乳液体系在室温下恒常搅拌12h蒸干CH2Cl2，组装形成表面活性剂DTAB稳定的NaGdF4：Yb3+/Er3+-ZnPc/PMAO微球。
请参阅图6，本实施例由NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+纳米晶、M-540光敏剂、PMAO聚合物组装的复合微球分散性良好，粒子尺寸在350～550nm之间。
请参阅图7，本实施例选用油酸配体稳定的NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+纳米晶在980nm光源激发下的发射光谱(黑色实线)，及其所选用M-540光敏剂的吸收光谱(黑色虚线)。
实施例3该具有双模式成像与光动力治疗功能复合微球的制备方法为：
将油酸稳定的NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+上转换纳米晶分散于CH2Cl2中，浓度为10mg/mL；取光敏剂酞菁锌(ZnPc)分散于四氢呋喃(THF)溶剂中配制ZnPc的四氢呋喃饱和溶液，取聚马来酸酐-苯乙烯共聚物(PSMA)溶解于CH2Cl2中，浓度为10mg/mL。分别取0.4mL NaGdF4：Yb3+/Er3+溶液、0.3mL的PMAO溶液、0.15mLZnPc的THF饱和溶液加入反应器中配制NaGdF4：Yb3+/Er3+，ZnPc，PMAO混合溶液体系，另向体系中加入0.15mL的CH2Cl2使有机体系总体积为1mL。
称取十二烷基磺酸钠(SDS)50mg溶解于10mL去离子水中，将配制好的NaGdF4：Yb3+/Er3+，ZnPc，PSMA混合溶液加入SDS的去离子水溶液中，其中有机相与水相溶液的体积比为1∶10，采用2000rpm机械搅拌5min乳化体系形成稳定的微乳液。
将微乳液体系放入40℃水浴中在恒常搅拌5h蒸干CH2Cl2，组装形成表面活性剂SDS稳定的NaGdF4：Yb3+/Er3+-ZnPc/PSMA微球。
微球经离心清洗后再分散于去离子水中，向体系中加入NaOH水溶液调PH值大于14，在50℃水浴下恒温搅拌反应10h以上，经离心收集得到目标产物。
请参阅图8，本实施例由NaGdF4：20％Yb3+/2％Er3+纳米晶、ZnPc光敏剂、PSMA聚合物组装的复合微球分散性良好，粒子尺寸在350～550nm之间。
实施例4该具有双模式成像与光动力治疗功能复合微球的制备方法为：
将油胺稳定的NaYF4：20％Gd3+，20％Yb3+，2％Er3+上转换纳米晶分散于正己烷中，浓度为10mg/mL；取聚马来酸酐-苯乙烯共聚物(PSMA)溶解于正己烷中，浓度为10mg/mL；取光敏剂酞菁锌(ZnPc)分散于四氢呋喃(THF)溶剂中配制ZnPc的四氢呋喃饱和溶液。分别取0.4mLNaYF4：20％Gd3+，20％Yb3+，2％Er3+溶液、0.2mL的PSMA溶液、0.1mLZnPc的THF饱和溶液加入反应器中配制纳米晶，ZnPc，PSMA混合溶液体系，另向体系中加入0.3mL的正己烷使有机体系总体积为1mL。
称取十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)36mg溶解于10mL去离子水中，将配制好的NaGdF4：Yb3+/Er3+，ZnPc，PSMA混合溶液加入DTAB的去离子水溶液中，其中有机相与水相溶液的体积比为1∶10，采用2000rpm机械搅拌45min乳化体系形成稳定的微乳液。
将微乳液体系放入50℃水浴中在恒常搅拌5h蒸干正己烷，组装形成表面活性剂DTAB稳定的NaYF4：20％Gd3+，20％Yb3+，2％Er3+-ZnPc/PSMA微球。
微球经离心清洗后再分散于去离子水中，向体系中加入NaOH水溶液调PH值大于14，在50℃水浴下恒温搅拌反应10h以上，经离心收集得到目标产物。
请参阅图9，本实施例由油胺稳定的NaYF4：20％Gd3+，20％Yb3+，2％Er3+纳米晶、光敏剂及聚合物组装的复合微球分散性良好，平均粒子尺寸在500nm左右。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，该方法为：取油溶稳定的上转换发光纳米晶、疏水性聚合物和疏水性光敏剂于有机溶剂中混合后，再加入含表面活性剂的水溶液，乳化形成稳定微乳液体系，而后蒸发除去该微乳液体系中的有机溶剂，离心分离出残余溶液中的沉淀物，该沉淀物经纯化得到目标产物；
所述疏水性聚合物包括经水解反应可产生羧基官能团的油溶性高分子聚合物；
所述光敏剂为可被上转换发光纳米晶的发射光所敏化的光敏疏水性化合物；
所述有机溶剂为与水不混溶，且沸点低于水的有机溶剂。
2.如权利要求1所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1. 取上转换发光纳米晶和疏水性聚合物分散在有机溶剂中，混合形成含上转换纳米晶与疏水性聚合物的均一溶液；
S2. 取疏水性光敏剂分散于有机溶剂中，形成光敏剂溶液；
S3. 取步骤S1所得均一溶液与步骤S2所得光敏剂溶液混合均匀，再按照1:5～1:20的体积比与含有0.2wt%以上表面活性剂的水溶液混合，经乳化处理形成稳定的微乳液体系；
S4. 在持续搅拌的条件下，加热蒸干该微乳液体系中的有机溶剂，并离心分离出残余溶液中的沉淀物，将沉淀物纯化后获得目标产物。
3.根据权利要求1或2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，所述上转换发光纳米晶包括油溶稳定的、含Gd3+的上转换发光纳米晶。
4.根据权利要求1或2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，所述上转换发光纳米晶至少为NaGdF4：Yb3+/Er3+上转换纳米晶和/或NaYF4：Gd3+/Er3+/Yb3+上转换纳米晶，且所述上转换发光纳米晶表面具有疏水配体，所述疏水配体至少为油酸、油胺和TOPO的任意一种。
5.根据权利要求1或2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，所述疏水性聚合物至少为经水解反应可产生羧基官能团的油溶性高分子聚合物，该油溶性高分子聚合物至少为聚马来酸酐与十八碳烯的交替共聚物、聚马来酸酐-苯乙烯共聚物和甲基丙烯酸碳十四烷基酯-马来酸酐共聚物中的任意一种。
6.根据权利要求1或2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，所述光敏剂至少为部花青540和酞菁锌中的任意一种。
7.根据权利要求1或2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂至少为环己烷、二氯甲烷、氯仿和正己烷中的任意一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1或2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂至少为SDS、DTAB和CTAB中的任意一种或两种以上的组合。 
9.根据权利要求2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，步骤S4具体为：
在持续搅拌的条件下，加热蒸干该微乳液体系中的有机溶剂，并离心分离出残余溶液中的沉淀物，再将沉淀物置于温度在50℃以下、pH值＞14的水溶液中搅拌反应10h以上，而后离心分离出该水溶液中的微球，获得目标产物。
10.根据权利要求1或2所述的具双模式成像与光动力活性功能的复合微球的制备方法，其特征在于，所述疏水性聚合物与上转换纳米晶的质量比在0.5与5之间。
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Dual-modality in vivo imaging using rare-earth nanocrystals with near-infrared to;Jing Zhou, Yun Sun, Xiaoxia Du, Liqin Xiong, He Hua等;《Biomaterials》;20100204;第31卷;3287-3295 *
Jing Zhou, Yun Sun, Xiaoxia Du, Liqin Xiong, He Hua等.Dual-modality in vivo imaging using rare-earth nanocrystals with near-infrared to.《Biomaterials》.2010,第31卷3287-3295.

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