CN109536778A - 一种医用可降解锌铋锂系合金 - Google Patents

一种医用可降解锌铋锂系合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种医用可降解锌铋锂系合金,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi和Li组成,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数为0<Li≤10%。所述锌铋锂系合金还可以由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si、Ag、Mg、Cu、Sn、Ge元素中的至少一种,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素X的质量百分数含量为0<X≤10%。该医用可降解锌铋锂系合金,安全无毒,且力学性能优异,降解速度适中。

Description

一种医用可降解锌铋锂系合金
技术领域
本发明属于医用生物材料领域,特别是涉及一种医用可降解锌铋锂系合金。
背景技术
医用金属具有优良的力学性能,常作为植入材料的首选,植入的不可降解的金属材料作为非自身组织材料,对患者的日后生活造成不利影响。例如,微创外科手术中常使用吻合钉对组织切口(或端口)进行吻合,经历过痔上黏膜环形切除手术的患者,由于肛门附近金属吻合钉的存在,会刺激患者产生更多排便欲望;经历过骨折固定手术的患者,植入的骨钉、骨板往往需要二次取出,让患者再次经历手术伤痛和感染的风险,同时增加了患者经济负担和心理负担;对于植入了心血管支架的患者,其体内的植入的支架存在引发血管再次狭窄的风险。随着医学的发展和进步,更多医生都希望在治愈患者疾病的同时,尽可能减少对其造成的身体负担和心理负担。为此,开发出可降解的金属植入材料成为材料学家和医生共同的夙愿。
目前国际上可降解金属研究以镁基为主,虽然镁基可降解金属在骨科领域取得了较大进步,但是在微创外科和心血管内科领域还是受到限制,其根本原因为镁基金属的塑性较差且降解速度过快。锌基可降解材料由于具有优良的力学性能和降解速度,逐渐成为医学界关注的重点。锌是人体六大酶类、200种金属酶的组成成份或辅酶,对全身代谢起广泛作用,能促进皮肤、骨骼和性器官的正常发育和组织再生,对味觉及食欲也能起促进作用。锌还可以活化ALP及促进骨痂钙盐的沉积,故适量补锌有助于细胞增殖分化及有关酶系统发挥其功能活性,加速骨的形成和钙化,从而促进骨折愈合,而缺锌会妨碍软骨的生成和正常钙化过程。锌基合金具有适中的降解速度和塑性,且降解产物既不产生气体又不会体积膨胀,是一种新的可降解金属材料。但是纯锌的强度偏低,难以满足临床使用要求,在第八届可降解金属国际会议上,有单位公开了用纯锌制备的血管支架在植入动物血管后,由于纯锌力学性能不足导致支架出现了严重的坍塌变形。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种医用可降解锌铋锂系合金,安全无毒,且力学性能优异,降解速度适中。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi和Li组成,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数为0<Li≤10%。
在一个实施方式中,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi和Li组成,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数为0<Li≤3%。
在一个实施方式中,所述锌铋锂系合金能够与金属材料、无机材料、高分子材料、药物载体中的一种或者多种复合,组合成为机械结构复合材料或者材料复合复合材料中的至少一种。
本发明的目的还可以通过以下技术方案来实现:
一种医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si、Ag、Mg、Cu、Sn、Ge元素中的至少一种,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素X的质量百分数含量为0<X≤10%。
在一个实施方式中,所述元素Li和所述元素X的质量百分数之和为0~10%,但不包括0。
在一个实施方式中,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si元素中的至少一种,以质量百分比计,所述元素Li的质量百分数含量不为0,所述锌铋锂系合金中元素Li和元素X的质量百分数之和为0~2%,但不包括0。
在一个实施方式中,所述元素X为Ag元素,以质量百分比计,所述元素Bi的质量百分数为0<Bi≤5%,所述元素Li的质量百分数含量不为0,所述元素Ag的质量百分数含量不为0,所述元素Li和所述元素Ag的质量百分数和为0~2%,但不包括0。
在一个实施方式中,所述元素X为Cu元素,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素Cu的质量百分数含量为0<Cu≤10%。
在一个实施方式中,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si、Ag、Mg、Cu、Sn、Ge元素中的至少一种,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素X的质量百分数含量为0<X≤10%,且所述元素X包括Cu。
在一个实施方式中,所述锌铋锂系合金能够与金属材料、无机材料、高分子材料、药物载体中的一种或者多种复合,组合成为复合材料。所述复合材料可以是机械结构复合材料或者是不同材料组成的复合材料中的至少一种。
同现有技术相比,本发明的有益效果主要体现在:
1.本发明首次将铋元素和锂元素同时引入到医用可降解锌合金体系,铋元素的药用作用在医学史上已经得到了广泛的验证,外科利用铋药的收敛作用来处理创伤和止血,铋可以进入细菌内部抑制其生长,具有抗菌作用,且铋制剂是目前世界公认的抑制或者杀灭幽门螺杆菌最有效的药物之一,故被广泛用于治疗肠胃疾病、消化性溃疡等,铋化合物还被用于治疗梅毒、高血压、感染和皮肤病等。锂元素是人体内的一种微量元素,它的存在和变化会对人体产生很大的影响。研究表明,锂对人体健康有有益作用,如锂能改善造血功能,提高人体免疫机能。锂对中枢神经活动有调节作用,是有效的镇定剂,能镇静、安神,控制神经紊乱。锂也可以替代钠,用于心血管疾病的防治。锂对生物膜也有保护作用,能增加膜结构的稳定性。两种元素同时引入医用合金体系,可以使得所述合金降解时,生物性能较佳,改善治疗效果。
2.纯锌的综合力学性能较差,不能够满足临床医学的需求,而铋和锂作为锌合金中的合金元素,提高了纯锌的强度,改善了纯锌较差的综合力学性能,在改善锌合金的力学性能方面起到了重要的作用。
3.在熔炼过程中,铋元素的加入,提高锌合金中锌的流动性和浸润性,减少锌的损耗,对于对合金成分要求较高的医用锌合金来说,更加有利于熔炼过程中质量和成分的控制,减少杂质的影响。
附图说明
图1和图2为本发明所述一种医用可降解锌铋锂系合金制成的板和棒示意图;
图3为本发明所述一种医用可降解锌铋锂系合金制成的管材;
图4为本发明中图3所示管材加工的支架半成品示意图;
图5为本发明所述医用可降解锌铋锂系合金的一个实施例的管材截面示意图;
图6为本发明所述医用可降解锌铋锂系合金材料制成的脊柱融合器样品示意图;
图7为图6所示样品动物实验植入后CT扫描检查图示例;
图8为本发明一个实施例的合金材料制成的支架半成品示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本发明进一步详细说明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特别说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特别说明,均可以从商业途径获得。
实施例1
本实施例涉及一种医用可降解锌铋锂系合金,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi和Li组成,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数为0<Li≤10%。
在一个优选实施例中,涉及一种1号和2号锌铋锂系合金,其中所述1号合金中,以质量百分数计,所述元素Bi的含量为10%,所述元素Li的含量为10%,所述2号合金中,以质量百分数计,所述元素Bi的含量为10%,所述元素Li的含量为3%,将所述1号和2号锌铋锂系合金进行热处理后,线切割制备边长为1cm,厚度为1.5mm的薄片,砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水清洗、酒精清洗后,干燥,其后将样品进行射线辐照灭菌,其后将样品浸泡于37℃林格试液中,每隔3天换液,计算失重后,得出该合金静态体外腐蚀速率约为0.1~0.3mm/年。在该系列合金中,铋元素和锂元素同时被引入,利用了铋元素抗菌和收敛等药用作用,以及锂元素能改善造血功能,提高人体免疫机能,可置换替代钠,防治心血管疾病等的作用,可以通过调节两种元素分别的加入量,来达到调节最终降解释放出的元素含量的效果。
更进一步的,在另一个实施例中,涉及一系列医用可降解锌铋锂系合金,以质量百分数计,其中所述元素Bi的含量为10%,所述元素Li的含量为0<Li≤3%,按照上述同样的制备和测试方法测得该系列合金静态体外腐蚀速率约为0.05~0.8mm/年。
在另一个优选实施例中,所述锌铋锂系合金中元素Bi的质量百分数为0<Bi≤1%,,元素Li的质量百分数为0<Li≤0.75%,成分见表1。合金熔炼、均匀化处理、热处理、表面处理后,制备成为力学测试试样3~8号,所述3~8号试样测试结果如下表1中所示,元素Bi和元素Li的加入,能够提高锌合金的强度,对合金的延伸率有提高也有降低,未呈现单向规律。如测试结果所示,当元素Bi含量为0.5~1%时,对于含有同等含量元素Bi的锌铋锂合金,随着元素Li含量的增加,所述合金的强度和延伸率都得到了一定的提高,具备较好的综合性能。由于纯锌的综合力学性能较差,不能够满足临床医学的需求,而铋和锂作为锌合金中的合金元素,提高了纯锌的强度,改善了纯锌较差的综合力学性能,在改善锌合金的力学性能方面起到了重要的作用。所述锌铋锂系列合金可以在心血管、骨科等医学应用方面体现出应用优势。将所得材料加工处理成管材,截面示例如图5所示。
表1本发明所述一种医用可降解锌铋锂系合金力学性能测试结果:
实施例2
本实施例涉及一种医用可降解锌铋锂系合金,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si、Ag、Mg、Cu、Sn、Ge元素中的至少一种,以质量百分比计,所述元素Bi的质量百分数含量为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素X的质量百分数含量为0<X≤10%。
在一个实施例中,所述元素Bi的质量百分数含量为10%,所述元素X为Sr和Ag,所述元素Li和所述元素X的质量百分数含量总和为10%,其中所述元素Ag的质量百分数含量为0<Ag≤1%,所述元素Sr的质量百分数含量为0<Sr≤1%,余量为Li。该实施例中的元素添加,依据为元素Li有优良的生物学性能,元素Ag能增加合金的抗菌性能,元素Sr能防止血栓形成、促进成骨。将上述合金进行热处理后,线切割制备边长为1cm,厚度为1.5mm的薄片,砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水清洗、酒精清洗后,干燥,其后将样品进行射线辐照灭菌,其后将样品浸泡于37℃林格试液中,每隔3天换液,计算失重后,得出该系列合金静态体外腐蚀速率约为0.05~0.8mm/年。
在一个优选实施例中,所述元素Bi的质量百分数含量为10%,所述元素X为Sr和Ag,所述元素Li和所述元素X的质量百分数含量总和为10%,其中所述元素Ag的质量百分数含量为0.2%,所述元素Sr的质量百分数含量为0.2%,余量为Li。该实施例中的元素添加,依据为元素Li有优良的生物学性能,元素Ag能增加合金的抗菌性能,元素Sr能防止血栓形成、促进成骨。将上述合金进行热处理后,线切割制备边长为1cm,厚度为1.5mm的薄片,砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水清洗、酒精清洗后,干燥,其后将样品进行射线辐照灭菌,其后将样品浸泡于37℃林格试液中,每隔3天换液,计算失重后,得出该系列合金静态体外腐蚀速率约为0.06~0.8mm/年。
在一个实施例中,所述元素Bi的质量百分数含量为1%,所述元素Li的质量百分数含量为10%,所述元素X为Mn、Sr和Mg,所述元素X的质量百分数含量为10%,将合金进行均匀化处理、热处理、表面处理后,制成抗压测试样品,选取样品进行测试,速度:1mm/min,测试结果表明,试样的抗压强度均>170MPa(密质骨约为160MPa),满足骨科的应用需求,由于所述元素Mn、Sr和Mg都有益于骨科的作用,因此该系列的合金适用于骨科应用。
实施例3
本实施例涉及一种医用可降解锌铋锂系合金,与上一个实施例不同之处在于,所述元素为Sr、Ca、Mn、Si元素中的至少一种,以质量百分比计,所述元素Li的质量百分数含量不为0,所述锌铋锂系合金中元素Li和元素X的质量百分数之和为0~2%,但不包括0。
在一个优选实施例中,涉及一种9号锌铋锂系合金,所述元素Bi的质量百分数含量为0<Bi≤0.5%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤1.5%,所述元素X为元素Sr,所述元素Sr的质量百分数含量为0<Sr≤0.5%,将合金进行均匀化处理、热处理、表面处理后,制成如图1所示的板和符合抗压测试、抗拉测试的样品。选取测试样品进行测试,抗拉强度均>350Mpa,选取样品进行抗压测试,速度:1mm/min,测试结果表明,试样的抗压强度均>170MPa(密质骨约为160MPa),满足骨科的应用需求,铋和锂作为锌合金中的合金元素,改善了纯锌较差的综合力学性能,而元素Sr能促进成骨,因此该系列锌铋锂锶样品适用于骨科应用。
在一个实施例中,涉及一种锌铋锂系合金,所述元素Bi的质量百分数含量为0<Bi≤0.5%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤2%,所述元素X为元素Ca,所述元素Ca的质量百分数含量为0<Ca≤0.2%,将合金进行均匀化处理、热处理、表面处理后,制成测试样品。选取测试样品进行测试,抗拉强度均>220Mpa,选取样品进行抗压测试,速度:1mm/min,测试结果表明,试样的抗压强度均>170MPa(密质骨约为160MPa),满足骨科的应用需求,铋和锂作为锌合金中的合金元素,改善了纯锌较差的综合力学性能,而元素Ca能促进成骨,因此该系列锌铋锂钙样品适用于骨科应用。
在一个优选实施例中,涉及一种锌铋锂系合金,所述元素Bi的质量百分数含量为0.5%,所述元素Li的质量百分数含量为1.8%,所述元素X为元素Ca,所述元素Ca的质量百分数含量为0<Ca≤0.2%,将合金进行均匀化处理、热处理、表面处理后,制成如图1所示的板和符合抗压测试、抗拉测试的样品。选取测试样品进行测试,抗拉强度均>220Mpa,选取样品进行抗压测试,速度:1mm/min,测试结果表明,试样的抗压强度均>170MPa(密质骨约为160MPa),满足骨科的应用需求,铋和锂作为锌合金中的合金元素,改善了纯锌较差的综合力学性能,而元素Ca能促进成骨,因此该系列锌铋锂钙样品适用于骨科应用。
在另一个优选实施例中,与上述实施例的不同之处在于,所述元素Bi的质量百分数含量为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为1%,所述元素X为元素Mn,所述元素Mn的质量百分数含量为0<Mn≤1%,用所述锌铋锂锰合金样品进行抗弯测试,速度10mm/min,跨距:96mm,测试结果表明,抗弯强度均>220Mpa,远大于目前上市产品所使用的PEEK材料(抗弯强度≥110Mpa)的抗弯强度,铋和锂作为锌合金中的合金元素,改善了纯锌较差的综合力学性能,亦满足市售脊柱融合器的抗弯应用需求。
在另一个优选实施例中,与上述实施例的不同之处在于,所述元素Bi的质量百分数含量为0<Bi≤3%,所述元素Li的质量百分数含量为1%,所述元素X为元素Ca和元素Si,所述元素Ca的质量百分数含量为0<Ca≤0.5%,所述元素Si的质量百分数含量为0<Si≤0.5%,用所述锌铋锂钙锶合金样品进行测试,抗压强度>170MPa。
在另一个优选实施例中,选取上述适用于骨科应用的锌铋锂系合金材料,进行机加工制成如图6所示的脊柱融合器样品,内部中空,空腔内植骨后植入小型猪的脊椎内,六个月后进行CT扫描检查,检查结果选取示例如图7所示,样品降解一部分,尚未完全降解,融合器作用正常,动物没有炎症反应,证明所选材料生物相容性良好。
实施例4
本实施例涉及一种医用可降解锌铋锂系合金,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Ag元素,以质量百分比计,所述元素Bi的质量百分数为0<Bi≤5%,所述元素Li的质量百分数含量不为0,所述元素Ag的质量百分数含量不为0,所述元素Li和所述元素Ag的质量百分数之和为0~2%,但不包括0。
在一个优选实施例中,所述元素Bi的质量百分数为5%,所述元素Li的质量百分数为1.8,所述元素Ag的质量百分数为0.2%,将所述锌铋锂银合金样品拉管加工,表面抛光处理后,得到如图2所示的棒材。
在另一个优选实施例中,涉及一种10号锌铋锂银合金样品,其中所述元素Bi的质量百分数含量为0.55%,所述元素Li的质量百分数含量为0.75%,所述元素Ag的质量百分数含量为0.13%,测试得到所述19号合金挤压态样品抗拉强度>400Mpa,屈服强度>350Mpa,延伸率>20%,将所述锌铋锂银合金样品拉管加工,表面抛光处理后,制成如图3所示的外径1.5mm壁厚0.13mm的管材,制得的管材通过激光切割后成为如图4所示的支架半成品。元素Bi、Li和Ag的加入,改善了所述锌合金的综合力学性能,同时,元素Bi有收敛和杀菌功能,元素Li能改善造血功能,提高人体免疫机能,防治心血管疾病,元素Ag能增加合金的抗菌性能,在心血管疾病的应用方面体现出一定的益处。在上述支架的表面制备一种或者一种以上的涂层后,按照植入部位的不同,载入不同的药物,例如心血管支架常用药物紫杉醇、雷帕霉素中的一种,或者缓释消炎药等,最终制成多种材料复合的复合材料器械。
实施例5
本实施例涉及一种医用可降解锌铋锂系合金,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si、Ag、Mg、Cu、Sn、Ge元素中的至少一种,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素X的质量百分数含量为0<X≤10%。所述元素X包括Cu元素,在一个实施例中,以质量百分比计,所述元素Cu的质量百分数为0<Cu≤10%,或者在另一个优选实施例中,所述元素X为Cu和Ag,两者质量百分数之和小于等于3%。Cu元素作为人体必需的微量元素,能辅助造血,催化血红蛋白的合成,Cu元素也是多种酶的活性组成部分,缺铜可导致骨骼生成障碍,造成骨质疏松,Cu元素还有显著的抗菌作用。在心血管支架应用方面,Cu元素能促进内皮化、抑制血栓形成,且生物相容性好,可以抑制再狭窄的发生,Ag元素的加入能够提高抗菌性能和材料的力学性能,例如延伸率等。将上述样品按照前述实施例中的体外降解测试方法测试,得出合金系列静态体外腐蚀速率约为0.03~1.0mm/年。
在一个优选实施例中,所述元素Cu的质量百分数为0<Cu≤1%,将所述合金样品拉管加工,表面处理,激光切割成支架半成品,示意图如图8所示。
最后应当说明的是,以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi和Li组成,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数为0<Li≤10%。
2.根据权利要求1所述的医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi和Li组成,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数为0<Li≤3%。
3.根据权利要求1所述的医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金能够与金属材料、无机材料、高分子材料、药物载体中的一种或者多种复合,组合成为机械结构复合材料或者材料复合复合材料中的至少一种。
4.一种医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si、Ag、Mg、Cu、Sn、Ge元素中的至少一种,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素X的质量百分数含量为0<X≤10%。
5.根据权利要求4所述的医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述元素Li和所述元素X的质量百分数之和为0~10%,但不包括0。
6.根据权利要求4所述的医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si元素中的至少一种,以质量百分比计,所述元素Li的质量百分数含量不为0,所述锌铋锂系合金中元素Li和元素X的质量百分数之和为0~2%,但不包括0。
7.根据权利要求4所述的医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述元素X为Ag元素,以质量百分比计,所述元素Bi的质量百分数为0<Bi≤5%,所述元素Li的质量百分数含量不为0,所述元素Ag的质量百分数含量不为0,所述元素Li和所述元素Ag的质量百分数和为0~2%,但不包括0。
8.根据权利要求4所述的医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述元素X为Cu元素,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素Cu的质量百分数含量为0<Cu≤10%。
9.根据权利要求4所述的一种医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金由Zn、Bi、Li和元素X组成,所述元素X为Sr、Ca、Mn、Si、Ag、Mg、Cu、Sn、Ge元素中的至少一种,以质量百分比计,所述锌铋锂系合金中Bi的质量百分数为0<Bi≤10%,所述元素Li的质量百分数含量为0<Li≤10%,所述元素X的质量百分数含量为0<X≤10%,且所述元素X包括Cu。
10.根据权利要求4所述的医用可降解锌铋锂系合金,其特征在于,所述锌铋锂系合金能够与其他金属材料、无机材料、高分子材料、药物载体中的一种或者多种复合,组合成为机械结构复合材料或者材料复合复合材料中的至少一种。
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