CN108623804B - 一种两亲性聚多肽基因载体的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型两亲性聚多肽基因载体及其应用,属于纳米医学材料制备技术领域;所述方法包括:以六甲基二硅胺作为引发剂,引发CBZ‑L‑赖氨酸‑NCA和L‑亮氨酸‑NCA两种多肽单体进行NCA开环聚合,最后脱掉CBZ保护基团,得到两亲性嵌段聚多肽基因载体聚(L‑赖氨酸)50‑b‑聚(L‑亮氨酸)15;本发明的多肽聚合物毒性低,能够压缩质粒DNA组装成规整的纳米颗粒,且转染效率高,是一种有效的基因载体;并且,本发明的合成方法为可控聚合,且以天然多肽为原料,得到的聚合物安全高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型两亲性聚多肽基因载体及其应用,属于纳米医学材料制备技术领域。
背景技术
随着对癌症治疗研究的不断深入,核酸已开始成为一类重要的治疗剂。核酸主要包括质粒DNA (pDNA)、小(或短)干扰RNA (siRNA)、微小RNA(miRNA)、信使 RNA (mRNA)和寡脱氧核苷酸 (ODN)。基因载体转染效率和安全性是人们关注的主要问题。为了提高转染效率,科学家们不断优化阳离子聚合物载体的结构和性质,例如:载体分子量、载体电荷密度、载体的疏水链段、细胞穿透分子能力和靶向治疗。遗憾的是,很少有工作成功地将提高转染效率和降低毒性统一起来。因此,制备安全高效的基因载体是非常重要而且必要的。阳离子聚合物中的疏水结构部分能够促进基因传递,是因为疏水基团能够压缩DNA并且与细胞表面的疏水脂质层发生相互作用。选择生物相容性较好并且能够可控聚合的多肽作为基因载体的原因在于:第一,多肽是可用作传递基因的生物可降解材料,广泛应用于基因传递、药物输送以及病毒载体的治疗;第二,多肽聚合物可以通过α-氨基酸-N-羧酸酐(NCA)开环可控聚合生成。
为了合成两亲性多肽聚合物,必须采用可控聚合方法,这样才能得到可控聚合物。到目前为止,发展起来了许多可控聚合方法,例如原子转移自由基聚合(ATRP)和可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)。但不管是ATRP还是RAFT,产物结构中的C-C键是非常牢固的,不容易断裂,那么这样的载体进入到体内是很难降解的。而对于基因载体而言,材料的生物可降解性质是非常重要的。多肽聚合物是一类生物可降解材料,作为基因载体是安全的。
发明内容
为了克服以上不足,本发明的目的是提供一种两亲性聚多肽基因载体,基因载体的分子组成为聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15;基因载体为亲水段L-赖氨酸与疏水段L-亮氨酸组成的两亲性嵌段共聚物;本发明的两亲性聚多肽基因载体能够压缩质粒DNA并组装成粒径小于100 nm的颗粒,并将其输送至细胞内,该基因载体转染效率高,且低毒。
本发明还提供一种两亲性聚多肽基因载体的制备方法,包括以下步骤:
(1)将六甲基二硅胺(HMDS)溶解于干燥的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,快速加入受N-苄氧羰基(CBZ)保护的N-苄氧羰基-α-L-氨基酸-N-羧酸酐(CBZ-L-赖氨酸-NCA)单体,进行第一次反应,再加入L-亮氨酸-NCA单体,进行第二次反应,得到受CBZ保护的聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15嵌段共聚物;
(2)将聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15溶解在三氟乙酸中,加入含33%溴化氢的冰醋酸溶液,搅拌反应,再用无水乙醚沉淀,得到两亲性嵌段共聚产物聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15,即为两亲性聚多肽基因载体。
优选的,步骤(1)中,所述的六甲基二硅胺与的用量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为0.05:100。
优选的,步骤(1)中,所述的六甲基二硅胺、CBZ-L-赖氨酸-NCA和L-亮氨酸-NCA摩尔比为1:50:15,两亲性嵌段共聚产物聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15共聚物中聚(L-赖氨酸)和聚(L-亮氨酸)两部分摩尔比为50:15,CBZ-L-赖氨酸-NCA和L-亮氨酸-NCA的转化率均为100 %。
优选的,步骤(1)中,所述的第一次反应与第二次反应条件相同,反应条件为:温度20~30℃,时间72~96 h,反应在氮气保护下无水操作。
优选的,步骤(2)中,所述的聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的用量与三氟乙酸用量的质量体积比为1.0 g:30 mL;聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15与含33%溴化氢的冰醋酸溶液的摩尔比1:8;聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15与无水乙醚的质量体积比为1.0 g:150 mL。
优选的,步骤(1)中,所述的CBZ-L-赖氨酸-NCA单体的制备方法包括:将N-苄氧羰基赖氨酸和三光气溶解于干燥的四氢呋喃中,N-苄氧羰基赖氨酸、三光气和四氢呋喃的用量比为5.0 g:5.0 g:100mL;50℃下反应至溶液清澈透明,再将溶液蒸馏浓缩得到浓缩液,用干燥的正己烷沉淀得到CBZ-L-赖氨酸-NCA粗产物,然后将粗产物溶于四氢呋喃中,再用干燥的正己烷重结晶,重复三次后,得到纯净的CBZ-L-赖氨酸-NCA单体;其中,浓缩液与四氢呋喃以及干燥正己烷的体积比为5:3:24。
优选的,步骤(1)中,所述L-亮氨酸-NCA单体的制备方法包括:将L-亮氨酸和三光气溶解于干燥四氢呋喃中,L-亮氨酸、三光气和四氢呋喃的用量比为5.0 g:6.0 g:100mL;在N2保护下于50℃搅拌反应6 h,用干燥的正己烷沉淀得到L-亮氨酸-NCA粗产物,再将粗产物溶于四氢呋喃和正己烷的混合液中,四氢呋喃与正己烷的体积比为1:8。重结晶,重复三次后得到L-亮氨酸-NCA单体。
优选的,干燥四氢呋喃的方法为:将CaH2和四氢呋喃加入到一个干净的圆底烧瓶中,CaH2和四氢呋喃的质量体积比为1.0 g:500 mL,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的四氢呋喃。
优选的,干燥正己烷的方法为:将CaH2和正己烷加入到一个干净的圆底烧瓶中,CaH2和正己烷的质量体积比为1.0 g:500 mL,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的正己烷。
优选的,干燥DMF的方法为:将体积比为5:1的DMF和甲苯混合,在150℃和N2保护下发生共沸,冷却到室温时,就可得到干燥的DMF。
本发明所制备的一种两亲性聚多肽基因载体的应用是压缩质粒DNA组装为纳米颗粒并将其传送至细胞内。
有益效果
(1)本发明与现有技术相比,安全且毒性低,过程可控,通过控制第二嵌段亮氨酸的投料量,得到含有特定比例亲水疏水链段的两亲性嵌段共聚物,原料转化率为100 %。
(2)本发明中共聚物的第一段聚(CBZ-L-赖氨酸)50设计成聚合度为50(理论分子量为13.1×103 g/mol)的链段,实际所测的分子量是13.2×103 g/mol,这与理论值是非常接近的,说明聚合可控。从第一链段开始,加入是第一单体量15/50摩尔比的L-亮氨酸-NCA单体,以合成不同长度的第二链段,得到了嵌段聚合物:聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15,其理论分子量是14.7×103 g/mol,与实测值一样,证明聚合可控。
(3)本发明的两亲性聚多肽基因载体具有压缩质粒DNA的能力,能够压缩质粒DNA并组装形成纳米颗粒,其粒径分布均一,不超过100 nm。
(4)本发明的两亲性聚多肽基因载体的细胞转染效率高,与PEI(聚乙烯亚胺)相当(PEI通常作为基因转染的黄金标准被用来参照);其细胞毒性低,安全无害。
附图说明
图1为实施例1制备的CBZ-L-赖氨酸-NCA单体的核磁共振氢谱图;
图2为实施例1制备的L-亮氨酸-NCA单体的核磁共振氢谱图;
图3为实施例1制备的聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的核磁共振氢谱图;
图4为实施例1制备的聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的核磁共振氢谱图;
图5为实施例1制备的聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15压缩质粒DNA的透射电镜图;
图6为实施例1制备的聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的基因转染结果;
图7为实施例1制备的聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的毒性测试。
具体实施方式
本发明用以下实施说明,但本发明并不限于下述实施例,在不脱离前后所述宗旨的范围内,变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
(1)溶剂的干燥
将500 mL 四氢呋喃和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的四氢呋喃。将500 mL 正己烷和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的正己烷。500 mL的DMF和100 mL甲苯混合,在150℃和N2保护下发生共沸,痕量的水被蒸发掉,当冷却到室温时,就可得到干燥的DMF。
(2)CBZ-L-赖氨酸-NCA单体的制备
5.0 g N-碳苄氧基赖氨酸(购买于Sigma-Aldrich 公司 )和5.0 g 三光气溶解于干燥的100 mL的四氢呋喃中, 50℃下磁力搅拌,直到溶液变得清澈透明。再将溶液蒸馏浓缩至50 mL,用干燥的正己烷沉淀得到N-苄氧羰基(CBZ)保护的N-苄氧羰基-α-L-氨基酸-N-羧酸酐(CBZ-L-赖氨酸-NCA)单体粗产物。然后将粗产物溶于30 mL THF中,再用240 mL干燥的正己烷重结晶。如此重复三遍,得到纯净的CBZ-L-赖氨酸-NCA单体。单体结构如图1所示:9.1 ppm处的吸收峰对应于NCA环酰胺氮上的氢质子,位移在4.4 ppm的峰归属于NCA环上的次甲基氢,说明单体环化成功。另外,7.24-7.5 ppm为CBZ基团苯环上的氢位移,5.0 ppm处为CBZ的亚甲基吸收峰,表明保护基团CBZ的存在。
(3)L-亮氨酸-NCA单体的制备
5.0 g L-亮氨酸(购买于Sigma-Aldrich 公司)和6.0 g三光气溶解于干燥四氢呋喃中,在N2保护下于50℃搅拌反应6 h。然后用干燥的正己烷沉淀得到L-亮氨酸-NCA粗产物,再将粗产物溶于20 mL的四氢呋喃和160 mL的正己烷的混合液中,重结晶。重复三次后得到纯净的L-亮氨酸-NCA单体。单体结构如图2所示:9.1 ppm处的吸收峰为NCA环酰胺氮上的质子氢,位移在4.45 ppm处的峰归属于NCA环上的次甲基氢,说明单体环化成功。
(4)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的合成
HMDS作为NCA单体聚合的引发剂,投料摩尔比为单体量的1/50。20℃下,将50 µLHMDS溶解于100 mL干燥的DMF中,然后快速加入CBZ-L-赖氨酸-NCA单体3.60 g。72 h后,再加入L-亮氨酸-NCA单体0.554 g,再反应72 h后得到受CBZ保护的聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15嵌段共聚物。其结构如图3所示:位移在7.9-8.5 ppm处的吸收峰对应于聚合物主链段中仲胺N上的H,3.8 ppm处的峰证明了主链上次甲基的存在。
(5)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的去保护
1.0 g聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15溶解在30 mL 三氟乙酸中,加入是聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15 摩尔比8倍的含33%溴化氢的冰醋酸溶液。混合溶液在25℃下搅拌 3 h。用150 mL无水乙醚重结晶,得到终产物聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15。其结构如图4所示:在5.0 ppm处的苯环侧链邻位亚甲基吸收峰消失,而7-7.5 ppm处的苯环峰也几乎看不见。充分证实了CBZ基团的成功脱除。
高转染效率和低细胞毒性是优秀基因载体的特质,因此有必要对该材料做细胞转染实验和细胞毒性评估。
(1)图5为实施例1的透射电镜图,由图看出,本发明的聚多肽能够压缩质粒DNA,并组装成粒径为100 nm的颗粒,且粒径分布均一。其中质粒DNA为pGL3-control vector,购于Promega。
(2)图6为实施例1的COS-7细胞基因转染实验结果,COS-7细胞来源于中国科学院上海细胞库。结果显示,本发明的聚多肽的转染效率与PEI(聚乙烯亚胺)相当。PEI通常作为基因转染的黄金标准被用来参照,若材料的转染效率接近于PEI的转染效率,则说明该材料的转染效果好;本发明得到的聚多肽的转染效率与PEI的在一个数量级,说明聚多肽是一个优良的基因载体,达到高转染效率是基因载体的主要目标;而传统材料聚-L-赖氨酸的转染效率却不高,加入了疏水链段聚-L-亮氨酸后,得到的两亲性聚多肽的转染效率提高了,这说明了疏水链段有利于促进基因传递。有以下两方面的原因:第一,聚-L-亮氨酸疏水段能够与细胞表面的脂质层发生作用,较长的疏水链与细胞膜的作用更强;第二,聚-L-亮氨酸链能够形成α-螺旋结构,这样的二级结构是促进基因传递的重要因素。
(3)图7为实施例1的COS-7细胞毒性测试,结果显示为N/P比(即聚多肽中的氮元素与质粒DNA中的磷元素之比)分别在5、10、15、20条件下聚多肽与PEI的细胞存活率,当N/P比为20时,通过PEI转染的许多细胞都已凋亡,而该聚多肽的细胞存活率达90%,说明其毒性低,且低于PEI,因为该两亲性聚多肽中的低分子量聚-L-赖氨酸降低了其毒性;而且,该聚多肽是生物可降解材料,因为材料中的胺基在体内可以被水解,不会像PEI那样在体内慢慢积累,因此,该聚多肽是一个安全的材料。
实施例2
(1)溶剂的干燥
将500 mL 四氢呋喃和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的四氢呋喃。将500 mL 正己烷和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的正己烷。500 mL的DMF和100 mL甲苯混合,在150℃和N2保护下发生共沸,痕量的水被蒸发掉,当冷却到室温时,就可得到干燥的DMF。
(2)CBZ-L-赖氨酸-NCA单体的制备
5.0 g N-碳苄氧基赖氨酸(购买于Sigma-Aldrich 公司)和5.0 g 三光气溶解于干燥的100 mL的四氢呋喃中, 50℃下磁力搅拌,直到溶液变得清澈透明。再将溶液蒸馏浓缩至50 mL,用干燥的正己烷沉淀得到CBZ-L-赖氨酸-NCA单体粗产物。然后将粗产物溶于30mL 四氢呋喃中,再用240 mL干燥的正己烷重结晶。如此重复三遍,得到纯净的CBZ-L-赖氨酸-NCA单体。
(3)L-亮氨酸-NCA单体的制备
5.0 g L-亮氨酸(购买于Sigma-Aldrich 公司)和6.0 g 三光气溶解于干燥四氢呋喃中,在N2保护下于50℃搅拌反应6 h。然后用干燥的正己烷沉淀得到L-亮氨酸-NCA粗产物,再将粗产物溶于20 mL的四氢呋喃和160 mL的正己烷的混合液中,重结晶。重复三次后得到纯净的L-亮氨酸-NCA单体。
(4)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的合成
HMDS作为NCA单体聚合的引发剂,投料摩尔比为单体量的1/50。25℃下,将50 µLHMDS溶解于100 mL干燥的DMF中,然后快速加入CBZ-L-赖氨酸-NCA单体3.60 g。85 h后,再加入L-亮氨酸-NCA单体0.554 g,再反应85 h后得到受CBZ保护的聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15嵌段共聚物。
(5)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的去保护
1.0 g聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15溶解在30 mL三氟乙酸中,加入是聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15摩尔比8倍的含33%溴化氢的冰醋酸溶液。混合溶液在25℃下搅拌 3 h。用150 mL无水乙醚重结晶,得到终产物聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15。
实施例3
(1)溶剂的干燥
将500 mL 四氢呋喃和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的THF。将500 mL 正己烷和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24h后蒸馏得到干燥的正己烷。500 mL的DMF和100 mL甲苯混合,在150℃和N2保护下发生共沸,痕量的水被蒸发掉,当冷却到室温时,就可得到干燥的DMF。
(2)CBZ-L-赖氨酸-NCA单体的制备
5.0 g N-碳苄氧基赖氨酸(购买于Sigma-Aldrich 公司)和5.0 g 三光气溶解于干燥的100 mL的四氢呋喃中, 50℃下磁力搅拌,直到溶液变得清澈透明。再将溶液蒸馏浓缩至50 mL,用干燥的正己烷沉淀得到CBZ-L-赖氨酸-NCA单体粗产物。然后将粗产物溶于30mL 四氢呋喃中,再用240 mL干燥的正己烷重结晶。如此重复三遍,得到纯净的CBZ-L-赖氨酸-NCA单体。
(3)L-亮氨酸-NCA单体的制备
5.0 g L-亮氨酸(购买于Sigma-Aldrich 公司)和6.0 g 三光气溶解于干燥四氢呋喃中,在N2保护下于50℃搅拌反应6 h。然后用干燥的正己烷沉淀得到L-亮氨酸-NCA粗产物,再将粗产物溶于20 mL的四氢呋喃和160 mL的正己烷的混合液中,重结晶。重复三次后得到纯净的L-亮氨酸-NCA单体。单体结构如图2所示:9.1 ppm处的吸收峰为NCA环酰胺氮上的质子氢,位移在4.45 ppm处的峰归属于NCA环上的次甲基氢,说明单体环化成功。
(4)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的合成
HMDS作为NCA单体聚合的引发剂,投料摩尔比为单体量的1/50。30℃下,将50 µLHMDS溶解于100 mL干燥的DMF中,然后快速加入CBZ-L-赖氨酸-NCA单体3.60 g。96 h后,再加入L-亮氨酸-NCA单体0.554 g,再反应96 h后得到受CBZ保护的聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15嵌段共聚物。
(5)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的去保护
1.0 g聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15溶解在30 mL 三氟乙酸中,加入是聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15摩尔比8倍的含33%溴化氢的冰醋酸溶液。混合溶液在25℃下搅拌 3 h,用150 mL无水乙醚重结晶,得到终产物聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15。
Claims (1)
1.一种应用于压缩质粒DNA组装为纳米颗粒并将其传送至细胞内的两亲性聚多肽基因载体的制备方法,其特征在于,制备步骤如下:
(1)溶剂的干燥
将500 mL 四氢呋喃和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的四氢呋喃;将500 mL 正己烷和1.0 g CaH2加入到一个干净的圆底烧瓶中,搅拌24 h后蒸馏得到干燥的正己烷;500 mL的DMF和100 mL甲苯混合,DMF中的水和甲苯在150℃和N2保护下发生共沸,痕量的水被蒸发掉;当冷却到室温时,就可得到干燥的DMF;
(2)CBZ-L-赖氨酸-NCA单体的制备
5.0 g N-碳苄氧基赖氨酸和5.0 g 三光气溶解于干燥的100 mL的四氢呋喃中,50℃下磁力搅拌,直到溶液变得清澈透明;再将溶液蒸馏浓缩至50 mL,用干燥的正己烷沉淀得到N-苄氧羰基CBZ保护的N-苄氧羰基-α-L-氨基酸-N-羧酸酐单体粗产物;然后将粗产物溶于30 mL THF中,再用240 mL干燥的正己烷重结晶;如此重复三遍,得到纯净的CBZ-L-赖氨酸-NCA单体;
(3)L-亮氨酸-NCA单体的制备
5.0 g L-亮氨酸和6.0 g三光气溶解于干燥四氢呋喃中,在N2保护下于50℃搅拌反应6h;然后用干燥的正己烷沉淀得到L-亮氨酸-NCA粗产物,再将粗产物溶于20 mL的四氢呋喃和160 mL的正己烷的混合液中,重结晶;重复三次后得到纯净的L-亮氨酸-NCA单体;单体结构在9.1 ppm处的吸收峰为NCA环酰胺氮上的质子氢,位移在4.45 ppm处的峰归属于NCA环上的次甲基氢,说明单体环化成功;
(4)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的合成
HMDS作为NCA单体聚合的引发剂,投料摩尔比为单体量的1/50;20℃下,将50 µL HMDS溶解于100 mL干燥的DMF中,然后快速加入CBZ-L-赖氨酸-NCA单体3.60 g;72 h后,再加入L-亮氨酸-NCA单体0.554 g,再反应72 h后得到受CBZ保护的聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15嵌段共聚物;
(5)聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15的去保护
1.0 g聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15溶解在30 mL 三氟乙酸中,加入是聚(CBZ-L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15 摩尔比8倍的含33%溴化氢的冰醋酸溶液;混合溶液在25℃下搅拌3 h;用150 mL无水乙醚重结晶,得到终产物聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15;
所述的聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15用来压缩质粒 DNA,并组装成粒径为 100 nm的颗粒,且粒径分布均一;其中质粒 DNA 为 pGL3-control vector;
所述的聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15 转染效率与聚乙烯亚胺相当;
所述的聚(L-赖氨酸)50-b-聚(L-亮氨酸)15是生物可降解材料。
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