CN108140488B - 用于电容器阳极、阴极、阳极系统和阴极系统的烧结电极 - Google Patents

Abstract

一种被密封以保持电解质的电容器外壳；一种被设置在所述电容器外壳中的烧结阳极，所述烧结阳极具有其中所述烧结阳极包括配合部的形状；与所述烧结阳极耦接的导体，所述导体密封地延伸穿过所述电容器外壳到达被设置在所述电容器外壳的外部上的端子；被设置在所述电容器外壳中的烧结阴极，所述烧结阴极具有与所述烧结阳极的配合部配合使得所述烧结阴极配合地安装在所述烧结阳极的配合部中的形状；烧结阳极和烧结阴极之间的分隔件；以及被设置在电容器外壳的外部上并与烧结阴极电通信的第二端子，其中端子和第二端子彼此电隔离。

Description

用于电容器阳极、阴极、阳极系统和阴极系统的烧结电极

优先权要求

本申请要求于2015年9月16日提交的根据35 U.S.C.§119(e)美国临时专利申请序列号62/219,273的优先权权益，其通过引用整体包含在此。

技术领域

本文档大致涉及能量存储，并且特别涉及用于将能量存储在可植入医疗装置中的烧结电极(sinterred electrode)。

背景技术

电刺激疗法已被发现有益于一些患者。例如，一些患者患有不规则的心跳或心律不齐，并且可能受益于对心脏施加电刺激。一些患者患有被称为纤维性颤动的特定类型的心律不齐。纤维性颤动可能影响心脏的不同区域，诸如心房或心室。当心室发生纤维性颤动时，心脏的泵血能力显著地降低，使患者有受伤的危险。已经发现，对患者施加电刺激可以通过恢复规则的心跳来有效地治疗患有诸如纤维性颤动疾病的患者。

因为诸如纤维性颤动之类的疾病可能随时发生，因此具有容易接近的装置来治疗它们是有帮助的。在某些情况下，如果该装置是便携式的或可植入的，则会有所帮助。在开发便携式或可植入的装置时，使用紧凑且轻便并且可以执行所需规格的组件是有帮助的。

发明内容

在示例1中，一种设备包括：电容器外壳，被密封以保持电解质；烧结阳极，被设置在所述电容器外壳中，所述烧结阳极具有其中所述烧结阳极包括配合部的形状；导体，被耦接到所述烧结阳极，所述导体密封地延伸穿过所述电容器外壳到达被设置在所述电容器外壳的外部上的端子；烧结阴极，被设置在所述电容器外壳中，所述烧结阴极具有与所述烧结阳极的配合部配合使得所述烧结阴极配合地安装在所述烧结阳极的配合部中的形状；分隔件，在所述烧结阳极和所述烧结阴极之间；和第二端子，被设置在所述电容器外壳的外部上并且与所述烧结阴极电通信，其中所述端子和所述第二端子彼此电隔离。

在示例2中，示例1的主题可以可选地包括具有非矩形形状的烧结阳极。

在示例3中，示例1或2的主题可以可选地包括具有非矩形形状的烧结阴极。

在示例4中，示例1-3中的任一个的主题可以可选地包括为形状像鳍状物的空隙空间的烧结阳极的配合部，以及具有鳍状物形状的烧结阴极。

在示例5中，示例1-4中的任一个的主题可以可选地包括为在烧结阳极的一个或多个拐角处的圆形切口的烧结阳极的配合部。

在示例6中，示例5的主题可以可选地包括具有圆柱形形状的烧结阴极。

在示例7中，示例6的主题可以可选地包括具有三角形形状的烧结阳极，其在三角形形状的三个拐角处具有圆形切口。

在示例8中，示例7的主题可以可选地包括具有三角形形状并且以并排构造被布置在一起的多个烧结阳极，其中多个圆柱形阴极位于多个烧结阳极的每个的圆形拐角处。

在示例9中，权利要求1-8中的任一个的主题可以可选地包括为被直接施加到烧结阴极的外表面的高介电聚合物的分隔件。

在示例10中，示例1-9中的任一个的主题可以选地包括在外表面上具有高电容涂层的烧结阴极。

在示例11中，示例1-10中的任一个的主题可以可选地包括具有钉床结构的阴极。

在实例12中，实例1-11中的任一个的主题可选地包括为圆锥形的配合部以及为圆锥形的烧结阴极。

在示例13中，示例1-12中的任一个的主题可以可选地包括烧结阳极和烧结阴极，其是包括烧结部分的独立块(standaline slug)，其中烧结部分是单片的。

本概述是本申请的一些教导的概述，并且不旨在成为本主题的排他或穷举处理。关于本主题的进一步细节在详细描述和所附权利要求中被找到。在阅读和理解以下详细描述并查看形成其一部分的附图之后，本发明的其它方面对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本发明的范围由所附权利要求及其合法等同物限定。

附图说明

附图借由示例大体说明本文档中所讨论的各种实施例。附图仅用于说明目的，并且可能并不按比例。

图1示出了根据一个实施例的包括烧结电容器的医疗系统的示意图。

图2示出了根据一个实施例的包括烧结电容器的植入医疗系统。

图3示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极。

图4示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极。

图5示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极。

图6示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极。

图7示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极。

图8示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极。

图9示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极。

图10示出了根据一个实施例的图9中的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图11示出了根据一个实施例的图9中的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图12示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图13示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图14示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图15示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图16示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图17示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

图18示出了根据一个实施例的烧结阳极和烧结阴极的透视图。

具体实施方式

本发明的以下详细描述涉及附图中的主题，其借由说明的方式示出了可实践本主题的具体方面和实施例。足够详细地描述这些实施例以使本领域技术人员能够实践本主题。对本公开中的“一”、“一个”或“各种”实施例的引用不一定针对相同的实施例，并且这样的引用涵盖多于一个实施例。因此，下面的详细描述不应被视为具有限制意义，并且范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所享有的法定等同物的全部范围来限定。

该文档涉及供电能存储装置使用的烧结电极。具体示例包括由铝或其合金形成的烧结阳极。一些示例使用由钽形成的烧结阳极。某些示例适用于铝电解电容器。额外的好处来自于烧结产物的增加的表面积。

烧结导致电极晶粒之间的许多间隙(interstice)(即，空间)。烧结电极类似于晶粒之间有间隙的碎晶粒。由于电容与暴露于电解质的表面积成比例，因此间隙填充有电解质，从而增加了每单位体积的电容。具有这种间隙的电极提供了电子相对于平坦电极层的主表面的改善的横向或平行移动，这鉴于因为蚀刻导致了典型地垂直于平坦层的主表面的空隙所以蚀刻电极限制横向移动。因此，由于这种增强的离子流，与被蚀刻的箔相比，一些示例具有更低的ESR(等效串联电阻)。

总的来说，使用这里描述的烧结电极的能量存储装置非常适合供诸如除颤器的可植入医疗装置使用。因为烧结可以产生各种形状，所以被烧结的电极可以被用于创建能量存储装置，诸如电容器，其具有定制形状，这与简单的轧制圆柱体或具有平行四边形作为其基底的棱镜形成对比。此外，通过简化制造电容器的步骤和部件以及通过减少浪费，制造效率得以改善。这些间隙非常小，使得电极坚硬并且能够承受机器或装配人员的处理。这些电极表现出在蚀刻电极上的改进的能量密度，并且因此可被用于制作能够为特定疗法递送大量能量的较小可植入装置。

图1是根据一些实施例的包括烧结电容器的医疗系统100的示意图。医疗系统100表示用于将治疗刺激提供给诸如心脏的任何数量的系统。医疗系统的示例包括但不限于可植入起搏器、可植入除颤器、可植入神经刺激装置和从身体外部提供刺激的装置，包括但不限于外部除颤器。

电子装置104用于诸如通过监视传感器105来监视患者，并将监视和控制系统100内的活动。在一些示例中，电子装置104用于监视患者、诊断要被治疗的病症(诸如心律不齐)、并且控制向患者递送能量的刺激脉冲。电子装置104可以使用感应器而被无线供电。可替选地，电子装置104可以由电池106供电。在一些示例中，电子装置104用于从电池106向患者引导小的治疗性能量爆发(burst)。

对于使用超过了电池106能够提供的能量放电速率的疗法(诸如除颤)，使用电容器108。来自电池106的能量由电子装置104控制以对电容器108充电。电容器108由电子装置104控制以放电至患者以治疗患者。在一些示例中，电容器108完全放电至患者，并且在额外的示例中，电容器被接通以提供治疗能量，以及被切断以截断治疗递送。

医疗系统100的一些示例包括可选的引线系统101。在某些情况下，在植入后，引线系统101或引线系统101的一部分与要被刺激的组织进行电通信。例如，引线系统101的一些构造利用刺激电极102接触组织。引线系统101经由头部103中的连接耦接到系统100的其他部分。系统101的示例根据要被执行的治疗的需要而使用不同数量的刺激电极和/或传感器。

附加示例在没有引线101的情况下起作用。无引线示例可以被定位成与要被刺激的组织接触，或者可以被定位在组织附近以震动要通过中间组织被刺激的组织。无引线的示例可以更容易植入，并且可以更便宜，这是因为它们不需要额外的引线组件。壳体110可以被用作无引线构造中的电极。

在某些实施例中，电子装置104包括被耦接到电池106和电容器108的电子心律管理电路，以对电容器108放电以提供治疗脉冲，诸如除颤脉冲。在一些示例中，系统100包括设置大小为递送至少大约50焦耳的脉冲的阳极和阴极。其他构造可以递送更多的能量。一些构造递送更少的能量，例如至少36焦耳。在一些示例中，能量水平被预先确定以实现由与诸如欧洲国家的地理地区相关联的管理机构或标准所要求的被递送的能量水平。在额外的实施例中，阳极和阴极的大小被设定为递送至少大约60焦耳的除颤脉冲。在一些示例中，该能量水平被预先确定以实现由诸如美国之类的另一个地区的管理机构所要求的能量水平。在一些示例中，电子装置104用于控制除颤脉冲的放电，使得医疗系统100仅递送由使用系统100的地区所要求的能量。

一些烧结电极示例的一个特性在于至少一个阳极和阴极具有比以下AC电容大大约23％的DC电容，该AC电容是针对具有74.5微法拉每立方厘米的蚀刻电容器的至少一个阳极和阴极。在一些示例中，该至少一个阳极和阴极在445总电压下具有至少96.7微法拉每立方厘米的AC电容。在一些示例中，这与约415伏的操作电压相当。这是在具有74.5微法拉每立方厘米的蚀刻电容上的30％的改进。总电压是允许电极每平方厘米1毫安泄漏的电压。一些示例老化到415伏。

在某些示例中，电容器108包括被密封以保持电解质的电容器外壳113。在一些示例中，电容器外壳113被焊接。在一些情况下，电容器外壳113被气密密封。在额外的示例中，电容器外壳113被密封以保持电解质，但是利用密封件被密封以允许其他物质(诸如气态双原子氢或氦分子)的流动。这些示例的一些使用环氧树脂密封件。电容器还包括被耦接到电容器108的电极中的一个电极的导体109。导体109密封地延伸通过电容器外壳而到被设置在电容器外壳113的外部的第一端子112。第二端子114可以被设置在电容器外壳113的外部并且与电容器108的另一个电极电通信。第一端子112和第二端子114彼此电隔离。

气密密封装置壳体110被用于容纳诸如电池106、电子装置104和电容器108的组件。在一些示例中，通过将组件焊接到气密密封装置壳体110来提供气密性。其他示例将壳体110的部分与诸如基于树脂的粘合剂(诸如环氧树脂)之类的粘合剂粘合在一起。因此，壳体110的一些示例包括环氧树脂密封的接缝或端口。几种材料可以被用于形成壳体110，包括但不限于钛、不锈钢、镍、聚合物材料或这些材料的组合。在各种示例中，壳体110和壳体113是生物相容的。

电容器108通过本电极技术得到了改进，部分是因为其可以被制作得更小并且花费更少并且具有各种形状和构造。由这些电极提供的改进与需要高能量、高电压或空间高效的电容器(包括但不限于被用于照相用闪光设备的电容器)的任何应用有关。本主题延伸到受益于高表面积烧结电极(包括但不限于铝)的能量储存装置。除堆叠电容器外，这里所描述的电极还可以被并入被缠绕的圆柱形电容器中。

图2是根据一些实施例的被植入在患者201中并且包括烧结电容器的植入医疗系统200。该系统包括心律管理装置202，其被耦接到第一引线204以延伸穿过心脏206到达右心室208以刺激至少右心室208。该系统还包括第二引线210以延伸穿过心脏206到左心室212。在各种实施例中，第一引线204和第二引线210中的一个或两个都包括用于感测内在心脏信号并刺激心脏的电极。第一引线204与右心房214和右心室208直接接触(例如，触碰)以感测和/或刺激这两个组织区域。第二引线210与左心房216和左心室212直接接触以感测和/或刺激这两个组织区域。心律管理装置202使用引线电极来在引线上的电极之间或一个或多个引线电极和心律管理装置202之间将能量递送到心脏。一些实施例可以包括心外膜地或皮下地放置的引线。在一些示例中，心律管理装置202是可编程的并且与编程器220针对编程信息进行无线传送218。在一些示例中，编程器220对心律管理装置202的能量存储装置无线地218充电。

本系统允许用于设计高压铝电解电容器的不同构思。如将要讨论的，本系统通过提供允许组装容易并减少精确机器人组装的形状而允许减少组装时间和成本。

图3示出了根据一个实施例的用于电容器的烧结阳极302和烧结阴极304。烧结阳极302包括烧结部分306和一个或多个配合部(mating portion)，诸如空隙空间308。烧结阴极304可以具有以下形状，其与烧结阳极302的空隙空间308配合使得烧结阴极304配合地安装在烧结阳极的空隙空间308中。在这个示例中，烧结阳极302和烧结阴极304两者都具有非矩形形状。通过使用烧结阴极304，烧结阴极304可以比以前更小，并且可以被成形和被构造成与各种烧结阳极形状互锁。而且，对阳极和阴极使用烧结有助于减少阳极和阴极材料的成本和废料，这是因为电极不需要从网上被切下。另外，烧结阳极302和烧结阴极304可以包括独立块，其中烧结部分是单片的而没有衬底。

在各种示例中，空隙空间308可以是圆锥形的，并且烧结阴极304可以是圆锥形的。在一个示例中，烧结阳极312的空隙空间308可以被成形为像鳍状物，并且烧结阴极304可以具有鳍状物形状。在一个示例中，电容器可以包括形成钉床(bed-of-nails)型结构的多个烧结阴极304。烧结阳极302然后可以被落在该钉床结构上。这种形状和结构允许以较低的复杂性方便组装。

在一个示例中，烧结阴极304可以包括在烧结阴极304的外表面310上的高电容涂层。例如，可以将钛的ALD(原子层沉积)涂层施加到外表面306的一部分或所有。其他示例可以包括钌、铪等。高电容涂层将提供仅比铝高得多的电容。

图4示出了烧结阳极302和烧结阴极304，并且还包括在烧结阳极302和烧结阴极304之间的分隔件402。在示例中，分隔件402可以包括被直接施加到烧结阴极304的外表面的高介电聚合物。例如，可以将高介电和亲水性聚合物直接电纺丝到烧结阴极表面上。在一个示例中，被施加到烧结阴极304的表面的微球体涂层可以是分隔件402。省略传统的分离纸分隔件可以辅助制造，这是因为存在较少的组装步骤。此外，分隔件402允许仅使用纸分隔件会不可行的复杂阴极形状被使用。在一些示例中，分隔件可以被施加到烧结阳极302。

图5-8示出了根据一些实施例的用于烧结阳极502和504以及烧结阴极510的各种形状和构造。在该示例中，烧结阳极502和504的形状为三角形，并且具有一个或多个配合部，诸如在三角形烧结阳极502、504的一个或多个拐角处包括圆形切口(rounded cut-out)512的空隙空间。烧结阴极510可以包括类似于阳极502、504的空隙空间的形状的圆柱形形状。如上所述，烧结阴极510可以在圆柱形形状的外表面上具有电纺丝(或微球体)涂层，以充当分隔件。

烧结阳极502、504可以以各种图案并排构造而被布置在一起，其中多个圆柱形阴极302位于多个烧结阳极502、504中的每个的空隙空间中的圆角处。例如，图7示出了以顶部/底部交替图案被布置的类似形状的烧结阳极504。图8示出了交替图案，但是使用更薄的阳极502以允许整体形状根据需要被成形且被构造。在各种实施例中，可以使用烧结阳极502、504形成许多其他图案。

图9示出了根据一个实施例的烧结阳极602、604和烧结阴极610。烧结阳极602和604可以是大致矩形的，具有诸如空隙空间的配合部(包括在烧结阳极602、604的一个或多个拐角处的切口606)。如上所述，烧结阴极610的形状可以是圆柱形的并且可以包括充当分隔件的电介质涂层。烧结阳极602、604可以以各种图案被布置，并且烧结阴极610配合地适于由切口606形成的组合空隙空间中。这种“Lego_TM状”或“拼图状”结构允许创建不需要电流电容器的夹层状堆叠的构造。

图10和11示出了插入到电容器外壳620中的烧结阳极602、604和烧结阴极610的透视图。

图12示出了根据一个实施例的具有中心孔652的烧结阳极655和烧结阴极654以及另外的烧结阴极610的透视图。该示例类似于图9-11的实施例，但是还包括被插入到孔652中的圆柱形烧结阴极654，其中阴极610位于阳极655的拐角处。阳极655和阴极654和610被插入到电容器外壳660中。

图13和14示出了根据一个实施例的烧结阳极670和烧结阴极680的正面和背面透视图。在这个示例中，烧结阴极包括具有钉床结构的多个圆锥形阴极峰部682。阳极670包括多个配合部，诸如对应于阴极峰部682的圆锥形空隙空间684。这种形状和结构允许以较低的复杂性容易地组装。

图15和16示出了烧结阳极670和烧结阴极680，其利用位于阴极680的每个峰部682上的分隔件690被组装。如上所述，分隔件690可以包括被直接施加到烧结阴极680的外表面上的高介电聚合物。例如，可以将高介电和亲水聚合物直接电纺丝到烧结阴极表面上。在一个示例中，被施加到烧结阴极680的表面的微球体涂层可以是分隔件690。

图17和18示出了根据一个实施例的烧结阳极702和703以及烧结阴极704的透视图。在图17中，阳极702、703和阴极704被组装。图18示出了阳极702、703和阴极704的分解图。在该示例中，阴极704包括具有形成在阴极704的每侧上的峰部706的蛇形扇形形状。阳极702、703中的每个包括配合部，诸如尺寸设定为接收峰部706的空隙空间710。如前所述，可以将高介电和亲水性聚合物直接电纺丝到烧结阴极表面上，或者微球体涂层作为分隔件被施加。

在构建上面所讨论的各种电容器时，可以通过将阳极材料烧结成具有配合部(诸如空隙空间)的非矩形形状来形成阳极。可以通过将阴极材料烧结成与烧结阳极的空隙空间配合的形状使得烧结阴极配合地适于烧结阳极的空隙空间中而形成阴极。如上所述，可以将分隔件施加到阴极(或阳极)的表面。烧结阳极和阴极可以然后被放置在电容器外壳中，或者它们可以直接被组装到电容器外壳中。在一个示例中，可以直接在电容器外壳上形成烧结阴极，然后根据所需的构造将阳极放置在阴极之上或周围。

在本文的任何示例中，可以将高介电和亲水性聚合物直接电纺丝到烧结阴极表面上。在一些示例中，被施加到烧结阴极表面的微球体涂层可以是分隔件。省略传统的单独纸分隔件可以帮助制造，这是因为存在较少的组装步骤。在一些示例中，分隔件可以被施加到烧结阳极。对于一些实施例，取决于烧结阳极和阴极的几何形状，可以使用常规的纸分隔件。

在本文的任何示例中，烧结阴极可以包括在烧结阴极的外表面上的高电容涂层。例如，可以将钛的ALD(原子层沉积)涂层施加到外表面的一部分或全部。其他示例可以包括钌、铪等。高电容涂层将提供比仅铝高得多的电容。

本申请旨在覆盖本主题的修改或变化。应该理解的是，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。本主题的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求有权享有的法定等同物的全部范围而被确定。

Claims (14)

1.一种设备，包括：

电容器外壳，其被密封以保持电解质；

多个烧结阳极，其被设置在所述电容器外壳中，所述多个烧结阳极的每个烧结阳极具有其配合部的形状；

导体，其被耦接到所述烧结阳极，所述导体密封地延伸穿过所述电容器外壳到达被设置在所述电容器外壳的外部上的端子；

烧结阴极，其被设置在所述电容器外壳中，所述烧结阴极具有与所述烧结阳极的配合部配合使得所述烧结阴极配合地适于所述烧结阳极的配合部中的形状；

其中所述多个烧结阳极中的每个烧结阳极的配合部包括在所述烧结阳极的一个或多个拐角处的圆形切口，

其中烧结阳极并排布置在一起以形成容纳烧结阴极的组合空隙空间，分隔件，其在所述烧结阳极和所述烧结阴极之间；和

第二端子，其被设置在所述电容器外壳的外部上并且与所述烧结阴极电通信，其中所述端子和所述第二端子彼此电隔离。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述烧结阳极具有非矩形形状。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述烧结阴极具有非矩形形状。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述烧结阳极的配合部是形状像鳍状物的空隙空间，并且所述烧结阴极具有鳍状物形状。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述烧结阴极具有圆柱形形状。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述多个烧结阳极中的每个烧结阳极具有三角形形状，其中在所述三角形形状的三个拐角处具有圆形切口。

7.根据权利要求6所述的设备，其中具有三角形形状的多个烧结阳极以并排构造被布置在一起，其中多个圆柱形阴极位于所述多个烧结阳极中的每个烧结阳极的圆形拐角处。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述分隔件包括被直接施加到所述烧结阴极的外表面的高介电聚合物。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述烧结阴极包括在外表面上的高电容涂层。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述阴极包括钉床结构。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述配合部是圆锥形的，并且所述烧结阴极是圆锥形的。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中所述烧结阳极和所述烧结阴极包括独立块，其包括所述烧结部分，所述烧结部分是单片的。

13.一种系统，包括：

气密密封装置壳体；

电池，其被设置在所述气密密封装置壳体中；

电容器，其被设置在气密密封装置壳体中，所述电容器包括：

根据前述权利要求中的一个所述的设备，

第二端子，其被设置在所述电容器外壳的外部上并且与所述烧结阴极电通信，其中所述端子和所述第二端子彼此电隔离；以及

电子心律管理电路，其被耦接到所述电池和所述电容器并且适于使所述电容器放电以提供治疗脉冲。

14.一种方法，包括：

将阳极材料烧结成每个具有空隙空间的多个非矩形形状；

将阴极材料烧结成与所述烧结阳极的空隙空间配合使得所述烧结阴极配合地适于所述烧结阳极的空隙空间中的形状；

其中所述多个烧结阳极中的每个烧结阳极的空隙空间包括在所述烧结阳极的一个或多个拐角处的圆形切口，

其中烧结阳极并排布置在一起以形成容纳烧结阴极的组合空隙空间，在所述烧结阳极和所述烧结阴极之间设置分隔件；并且

将所述烧结阳极和所述烧结阴极设置在电容器外壳中。

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