CN110678429B - 光纤束、内窥镜和光纤束的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供端部的粘接强度高的光纤束以及使用了该光纤束的内窥镜。本发明的目的还在于提供端部的粘接强度高的光纤束的制造方法。根据本发明,提供一种光纤束,其是将光传输体多根捆束而成的光纤束,该光传输体包含纤维线材和被覆层,该纤维线材由纤芯和被覆上述纤芯的外周面的包层构成,该纤芯由第1玻璃构成,该包层由第2玻璃构成,该被覆层被覆上述包层的外周面。上述被覆层包含具有1~7个碳原子且未被氟取代的烷基,上述烷基藉由硅氧烷键与上述包层连接。
Description
技术领域
本发明涉及光纤束、内窥镜和光纤束的制造方法。
背景技术
在现有的内窥镜中,为了确保观察时的明亮度而从光源向内窥镜前端传递照明光,出于该目的,使用了玻璃制造的含铅光纤。含铅光纤具有优异的透过率/配光特性,但对铅等有害物质的限制越来越严格,存在将来无法用于内窥镜的风险。因此开发出了不含铅的各种光纤,但与含铅光纤相比,不含铅的光纤在物性上更硬、欠缺柔软性,因此在被置于内窥镜前端部的严苛角度下的情况下,具有光纤会折断、使内窥镜观察性能降低的问题。
针对上述问题,例如日本专利第5855798号公报中记载了一种技术,其中,将由纤芯和包层构成的光纤(下文中也称为“纤维线材”)的外周面用包含特定的烷基硅烷的被覆层(下文中称为“烷基硅烷层”)被覆,由此提高光纤的耐久性和耐磨耗性。根据该技术,能够将不含铅的光纤的折断和劣化降低至能够满足内窥镜观察性能的水平。
发明内容
日本专利第5855798号公报中,作为光导或像导的一例,示出了图8和图9。此处,图9是被图8中的线IV-IV切断而得到的像导或光导的截面图。该例中,由捆束的多根光传输体113构成的光纤束被收纳在外装管111内,在外装管的端部安装有盖帽112。
在内窥镜中,出于在比一般的内窥镜更狭窄的空间内使用的目的,有细径化的要求。根据该内窥镜的细径化的要求,在端部不使用盖帽而将端面成型为规定形状的光纤束的需求增高。
以不使用盖帽的方式将端面成型为规定形状的光纤束的端部容易产生因光传输体相互间的粘接力不充分而引起的破损,因此与使用了盖帽的方式相比,需要使光传输体相互间的粘接力更牢固。但是,根据本发明人的深入研究可知,在使用日本专利第5855798号公报所记载的利用特定的烷基硅烷层进行被覆的技术来制造光传输体,利用所制造的光传输体以不使用盖帽的方式来制造端面成型的光纤束的情况下,尽管耐久性充分,但容易产生因光传输体相互间的粘接性不充分而引起的端部的破损。
本发明的目的在于提供端部的粘接强度高的光纤束以及使用了该光纤束的内窥镜。
本发明的目的还在于提供端部的粘接强度高的光纤束的制造方法。
根据本发明的一个方面,提供一种光纤束,其是将光传输体多根捆束而成的光纤束,上述光传输体包含纤维线材和被覆层,上述纤维线材由纤芯和被覆上述纤芯的外周面的包层构成,上述纤芯由第1玻璃构成,上述包层由第2玻璃构成,上述被覆层被覆上述包层的外周面,上述光纤束中,上述被覆层包含具有1~7个碳原子且未被氟取代的烷基,上述烷基藉由硅氧烷键与上述包层连接。
根据本发明的另一方面,上述光纤束的至少一个端部被粘接剂所固定。
进而,根据本发明的另一方面,上述光纤束不具备覆盖被粘接剂所固定的上述端部的外周的盖帽。
进而,根据本发明的另一方面,上述烷基所具有的碳原子数为6个或7个。
进而,根据本发明的另一方面,上述烷基由CH3(CH2)m-(m表示0~6的整数)表示。
进而,根据本发明的另一方面,表示上述烷基的上述式中的m为5或6。
进而,根据另一方面,上述被覆层进一步包含表面活性剂。
进而,根据另一方面,上述光纤束为像导。
进而,根据另一方面,上述光纤束为光导。
进而,根据另一方面,提供一种内窥镜,其具备上述任一种光纤束。
另外,根据本发明的另一方面,提供一种光纤束的制造方法,其为上述光纤束的制造方法,该方法包括:
对上述包层的外周面涂布处理液,由此在上述包层的外周面形成上述被覆层而得到上述光传输体,上述处理液含有包含具有1~7个碳原子且未被氟取代的烷基的烷基硅烷;
将多根上述光传输体捆束而得到光传输体的束;
准备具有能够将上述束的端部插入的贯通孔的夹具;
将上述束的至少一个端部插入到上述夹具的上述贯通孔中,直至前端部突出为止;
在包含从上述贯通孔突出的突出部的上述束的端部涂布粘接剂,对端部进行固定;以及
切断上述突出部,并对端面进行研磨。
另外,根据本发明的另一方面,在上述光纤束的制造方法中,上述烷基所具有的碳原子数为6个或7个。
进而,根据另一方面,上述烷基硅烷由CH3(CH2)mSi(OR)n(R’)3-n表示。此处,上述式中的m表示0~6的整数,n表示0~3的整数,R各自独立地表示甲基或乙基,R’各自独立地表示氢原子、甲基或乙基。
进而,根据另一方面,在上述光纤束的制造方法中,表示上述烷基硅烷的上述式中的m为5或6。
进而,根据另一方面,在上述光纤束的制造方法中,上述光纤束为像导。
进而,根据另一方面,在上述光纤束的制造方法中,上述光纤束为光导。
进而,根据另一方面,在上述光纤束的制造方法中,上述处理液进一步包含表面活性剂。
本发明的光纤束可维持为了满足内窥镜观察性能所需要的耐久性等性能,并且光传输体相互间的粘接性高、端部强度优异。因此,能够在不使用盖帽的情况下将端部成型为所期望的形状,能够提供应对细径化要求的内窥镜。
附图说明
图1是实施方式的光纤束中包含的光传输体的轴向的截面图。
图2A是将图1中的虚线所包围的区域A放大表示的截面图。此处,被覆层3中包含的烷基的碳原子数为6个。
图2B是与图2A相同部位的比较用的截面图。此处,被覆层3中包含的烷基的碳原子数为10个。
图3是示出实施方式的光纤束的主要部分的一例的示意性立体图。
图4是示出实施方式的内窥镜的前端部的一例的图。
图5是示出实施方式的光纤束的制造时使用的夹具的一例的主视图。
图6是未经被覆的、现有的光传输体的轴向的截面图。
图7是由氟烷基硅烷层被覆的、现有的光传输体的轴向的截面图。
图8是示出具有盖帽的光导或像导的示意性立体图。
图9是由图8中的线IV-IV切断的像导或光导的截面图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行说明。
本发明的第1实施方式是多根光传输体捆束而成的光纤束。在一个方式中,光纤束的至少一个端部被粘接剂所固定,在另一方式中,光纤束不具备覆盖被粘接剂所固定的上述端部的外周的盖帽。
图1示出了实施方式的光纤束中包含的光传输体的轴向的截面图。
光传输体是指作为传播光波、信号、影像等的光波导使用的装置,例如包括光纤、光导、光纤传感器等。对其形状没有特别限制,截面可以为圆形或方形。
实施方式的光传输体包含纤维线材和被覆层3。
纤维线材在光传输体中主要承担光的传输。纤维线材由形成为圆柱形状的纤芯1和被覆其外周面的包层2构成。纤芯1由第1玻璃构成,包层2由第2玻璃构成。优选这些玻璃对光具有高透过性。构成纤芯1的第1玻璃比构成包层2的第2玻璃的折射率更高。作为第1玻璃和第2玻璃,可以使用例如石英玻璃。
被覆层3主要承担纤维线材的保护以及将多个光传输体捆束时的光传输体间的粘接性的调节。被覆层3被覆包层2的外周面。被覆层3的厚度没有特別限定,可以为1nm至100nm,例如为约10nm。若被覆层3过薄,则无法充分保护纤维线材;另一方面,若被覆层3过厚,则纤维线材的面积在光传输体的截面中所占的比例减小,光的传输效率可能会降低。
被覆层3包含具有1~7个碳原子且未被氟取代的2个以上的烷基。一个一个的烷基藉由硅氧烷键与包层连接。
在一个实施方式中,上述烷基优选为具有6个或7个碳原子且未被氟取代的烷基。
另外,在另一实施方式中,上述烷基可以为CH3(CH2)m-所表示的烷基。此处,m表示0~6的整数,优选为例如5或6。
图2A中示出了将图1中的虚线所包围的区域A放大表示的、实施方式的光纤束中包含的光传输体的轴向的截面图。图2A中,作为被覆层3中包含的上述烷基的示例,记载了CH3-(CH2)5-。该烷基藉由-Si-O-键与包层2连接。图2A中存在与在包层2的外周面产生的损伤(微裂纹)5的部分连接的烷基。如该烷基这样,烷基可以藉由共用Si原子的2个以上的-Si-O-键与包层2连接。或者,Si原子也可以具有不生成与包层2的键合的羟基,该羟基与相邻的Si原子所具有的羟基、或者与在包层2的表面所存在的羟基之间发生脱水缩合,可以进一步生成-Si-O-键。需要说明的是,烷基未被氟取代。
已知:通过将构成由纤芯和包层形成的纤维线材的包层的外周面利用被覆层(该被覆层包含碳原子数为8个以上的烷基且该烷基藉由硅氧烷键与上述包层连接)进行覆盖,可提高耐久性和耐磨耗性(日本专利第5855798号公报)。该技术的情况下,在端部不使用盖帽的方式的端面成型而成的光纤束中,端部的强度有时未必充分,但通过使上述烷基的碳原子数为7个以下,粘接强度提高,因此可消除上述问题。下面对图2A和图2B进行比较来说明其机理。
图2B是与图2A相同部位的比较用的截面图,此处,被覆层103中含有的烷基是CH3(CH2)9-所表示的碳原子数为10个的烷基。这种情况下,由于烷基的长碳链倒伏,因此耐久性和耐磨耗性良好;但由于碳链覆盖包层102的整个面,因此粘接性降低。另一方面,在图2A中,被覆层3中含有的烷基是CH3(CH2)5-所表示的碳原子数为6个的烷基。这种情况下,由于烷基的长碳链倒伏,因此耐久性和耐磨耗性良好,并且由于包层2的整个面未被碳链所覆盖,因此能够保持良好的粘接性。因此,从耐久性和耐磨耗性的方面出发,上述烷基中包含的碳原子数优选为6个或7个,CH3(CH2)m-所表示的式中的m优选为5或6。
被覆层3可以通过对包层2的外周面涂布含有包含具有1~7个碳原子且未被氟取代的烷基的烷基硅烷的处理液(下文中也称为“烷基硅烷处理液”等)而形成。对涂布处理液的方法没有特别限定,例如可以通过模具涂布法、喷雾法、浸渍法或喷淋法进行涂布。模具涂布法是一边将涂布液供给至模具一边使纤维线材在模具中通过从而在纤维线材表面形成被覆层的方法。喷雾法是将涂布液喷吹到纤维线材表面的方法。浸渍法是将纤维线材浸渍到涂布液中的方法。喷淋法是使纤维线材在涂布液的淋浴中通过的方法。
处理液中包含的上述烷基硅烷的示例由化学式CH3(CH2)mSi(OR)n(R’)3-n表示。该化学式中,m为0~6的整数,优选m为5或6。n为0至3的整数。另外,R为甲基(-CH3)或乙基(-CH2CH3),n为2或3的情况下,多个存在的R各自独立。R’为氢原子(-H)、甲基(-CH3)或乙基(-CH2CH3),n为0或1的情况下,多个存在的R’各自独立。上述式中的-OR基和-R’基在处理液中变化为羟基,成为能够与在包层2的表面存在的羟基之间发生脱水缩合的状态。
处理液中,除了烷基硅烷以外,还可以包含分散剂和水。作为分散剂,例如可以使用有机溶剂、表面活性剂等。作为表面活性剂,例如可以使用阳离子表面活性剂。作为阳离子性表面活性剂,例如可以使用二(十二烷基)二甲基氯化铵、鲸蜡基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵等。作为有机溶剂,例如可以使用乙醇、异丙醇等。
实施方式的光纤束中包含的光传输体优选不含有铅。即,构成光传输体的纤维线材和被覆层优选不含有铅。
另外,实施方式的光纤束中包含的光传输体可以在被覆层的外周面进一步涂布有固体润滑剂。在被覆层的外周面存在固体润滑剂的情况下,在将多个光传输体捆束时能够使光传输体彼此不容易密合,即使被供至利用高温·高压水蒸气(高压釜)或试剂进行的清洗·消毒·灭菌操作,也能够防止固着。另外,通过固体润滑剂的存在,能够对光纤束赋予抗折断性。
作为固体润滑剂的示例,可以举出滑石、氮化硼、二硫化钼、氟乙烯等氟化物树脂、聚缩醛、碳石墨等。
图3中示出了实施方式的光纤束的包含端部L的主要部分的一例。此处,经捆束的多个光传输体13构成了光纤束。具有经研磨的端面14的端部L未被盖帽覆盖其外周而被粘接剂所固定。
实施方式的光纤束可用作例如像导或光导。
本发明的第2实施方式涉及内窥镜。内窥镜具备实施方式的像导和实施方式的光导中的至少1者。
图4示出了实施方式的内窥镜的前端部的一例。该例中的内窥镜15中,像导16和光导17被插入到前端部部件20中。另外,在前端部部件20中还设有使用于采取组织或切除病变的处置工具出入地进行使用的钳子口18、以及将用于清洗透镜的水或用于使体腔膨胀的空气送出的喷嘴19。
本发明的第3实施方式涉及光纤束的制造方法。
在一个方式中,如上所述,实施方式的光纤束的至少一个端部被粘接剂所固定,并且不具备覆盖该端部的外周的盖帽。这样的光纤束例如可通过以下所示的方法制造。
首先,通过利用上述方法在由纤芯和包层构成的纤维线材的外周涂布上述烷基硅烷处理液来形成被覆层,得到实施方式的光传输体。
接着,将光传输体多根捆束,在不使用盖帽的情况下将所得到的光传输体束的至少一个端部固定。作为光传输体束的端部的固定手段,例如使用具有用于将光传输体束的端部插入并成型为规定形状的贯通孔的夹具和粘接剂。图5中示出了夹具的一例。图5中,夹具21由左右2片的开合式配件21a、21b构成。并且,在其中心部设有用于将上述光传输体束的端部插入的贯通孔21c。
在使用了夹具21的固定化手段中,光传输体束的至少一个端部被插入到夹具21的贯通孔21c中直至其前端部突出为止。从贯通孔21c突出的光传输体束的前端部的长度可适当设定。
接着,在包含从贯通孔21c突出的突出部的光传输体束的端部涂布粘接剂,使端部固定。
之后,对经固定的端部进行上述突出部的切断、端面的研磨,并卸除夹具21。该经固定的端部具有夹具21所具有的贯通孔21c的形状。
实施方式的光纤束的经固定的端部中,各个光传输体间的粘接力强、分别被牢固地固定,因此与现有的光纤束相比具有优异的强度。因此,在突出部的切断时、端面的研磨时、夹具的脱模时的任一情况下端部均不会破损,适合于不具备覆盖端部的外周的盖帽的像导、光导的用途,因此能够适合用于要求细径化的内窥镜。
除了上述以外,实施方式的光纤束还可实现优异的效果。
图6和图7中示出了现有的光传输体的示例。图6是未经被覆的现有的光传输体的轴向的截面图,图7是由氟烷基硅烷层4被覆的现有的光传输体的轴向的截面图。
如图6那样不具有被覆层的光传输体与具有被覆层的光传输体相比,耐久性、耐磨耗性和润滑性差。特别是由不含铅的玻璃构成的纤维线材,与含铅时相比,在物性上硬、并且柔软性低。因此,将由不含铅的玻璃构成且不具有被覆层的光传输体捆束而成的像导或光导通过在内窥镜前端部反复剧烈弯曲,多会发生纤维线材的折断,结果导致作为内窥镜的观察性能降低。
另外,如图7那样具有氟烷基硅烷层4的光传输体通过氟烷基硅烷层而被赋予了优异的耐久性、耐磨耗性和润滑性,能够将折断和劣化降低至可得到充分的观察性能的程度。但是,氟烷基硅烷层中的氟烷基在光传输体的表面露出,由此降低了将多个光传输体捆束时的光传输体间的粘接性。
在制造用于在内窥镜中使用的像导或光导时,通常将多个光传输体捆束并收纳在外装管中,之后对端面进行研磨。由此,各个光传输体的端面经研磨而提高了透过性,并且能够使多个光传输体的端面的位置对齐。但是,在像具有氟烷基硅烷层4的光传输体这样光传输体间的粘接性低的情况下,各个光传输体的固定不充分,难以进行研磨。因此,各个光传输体的端面的边缘被磨削、或者光传输体的一部分被填埋。其结果,具有作为内窥镜的观察性能降低的问题。
实施例
制造实施方式的光纤束,对耐久性和粘接性进行评价。
<烷基硅烷处理液的制备>
作为烷基硅烷(通式CH3(CH2)mSi(OR)n(R’)3-n)和分散剂,使用了后述表1所记载的化合物。
将0.01质量%~20质量%的烷基硅烷和0质量%~20质量%的分散剂溶解在水中,制备表1所示的12种烷基硅烷处理液(i)~(xii)(实施例1~6、比较例1~6)。其中,使烷基硅烷与分散剂的合计为30质量%以下。
此外,作为比较用途,还制备了代替通式CH3(CH2)mSi(OR)n(R’)3-n所表示的烷基硅烷而将含有氟取代烷基的有机硅化合物溶解在氟系溶剂中且浓度处于0.01~10质量%的范围内的处理液(xiii)(比较例7)。
<处理液在纤维线材上的涂布>
将纤维线材在如上所述制备的8种处理液中分别浸渍10秒。由此得到包含纤维线材和被覆层的光传输体。
<光纤束的制作>
将上述制作的光传输体多根捆束而得到光传输体束。将该光传输体束的一个端部插入到由开合式配件构成的夹具的贯通孔中,直至其端部突出为止。接着,在包含从贯通孔突出的突出部的光传输体束的端部涂布粘接剂,使端部固定。之后切断突出部,对端面进行研磨后,从作为夹具的开合式配件上卸下。由此得到了13种光纤束(bundle)。
对于所制作的13种光纤束,通过以下所示的方法进行耐久性和粘接性的评价。
<耐久性的评价>
为了进行评价,实施了下述试验,该试验模拟了在使内窥镜插入部反复弯曲动作时施加至光传输体束的端部的负荷。对于13种光纤束,分别计数在向光纤束的长度方向的中央部附近反复施加一定次数的比使用内窥镜时更高的负荷后所折断的光传输体的数目。根据其结果,通过下述计算式计算出折断率(%)。
折断率(%)=<试验后折断的光传输体的数目>/<光传输体的总数>×100。
将结果汇总于后述的表1中。表1中,将折断率小于20%的情况记为“A”、将折断率为20%以上且小于70%的情况记为“B”、将折断率为70%以上且小于75%的情况记为“C”、将折断率为75%以上的情况记为“D”。
上述评价A~D中,C是满足在作为内窥镜的观察性能方面所需要的耐久性的等级。
<粘接性的评价>
通过下述方法评价光纤束端部的粘接性。
对于各实施例和各比较例,各准备3个端部成形前的光传输体束,使用贯通孔的形状相互不同的下述3种夹具a、夹具b和夹具c将各自的端部成型。通过从各夹具(开合式配件)上卸下光纤束的端部时是否在端部发生破裂来评价光纤束端部的粘接性。评价基准如下。
[夹具]
夹具a:贯通孔的形状为部分具有角部的非圆形形状。
夹具b:贯通孔的形状为不具有角部的非圆形形状。
夹具c:贯通孔的形状为圆形形状。
[评价基准]
A:在使用夹具a、夹具b和夹具c的任一者的情况下均未发生破裂,能够进行端部成型。
B:在使用夹具a的情况下端部发生了破裂,但在使用夹具b和夹具c的情况下未发生破裂,能够进行端部成型。
C:在使用夹具a和b的情况下端部发生了破裂,但在使用夹具c的情况下未发生破裂,能够进行端部成型。
D:在使用夹具a、夹具b和夹具c的任一者的情况下均发生了破裂。
[表1]
由表1所示的结果可知以下内容。烷基硅烷的烷基的碳原子数为7以下(m为6以下)的实施例1~4具有在作为内窥镜的观察性能方面所需要的耐久性、并且端部的粘接强度极为优异,能够进行不使用盖帽的特殊成型,在要求细径化的内窥镜中也能够适当地使用。
需要说明的是,本发明并不限于上述实施方式,在实施阶段可以在不脱离其要点的范围内进行各种变形。另外,各实施方式可以适当组合来实施,这种情况下得到组合的效果。此外,上述实施方式中包括了各种发明,可通过从所公开的多个技术特征中选择出的组合而提取出各种发明。例如,在即使从实施方式所示的全部技术特征中删除几个技术特征仍能够解决课题、得到效果的情况下,可提取出删除了该技术特征的构成作为发明。
符号的说明
1 纤芯、
2 包层、
3 被覆层、
4 氟烷基硅烷层、
5 损伤(微裂纹)、
13、113 光传输体、
14 端面、
15 内窥镜、
16 像导、
17 光导、
18 钳子口、
19 喷嘴、
20 前端部部件、
21 夹具、
21a、21b 开合式配件、
21c 贯通孔、
111 外装管、
112 盖帽
Claims (15)
1.一种光纤束,其是将光传输体多根捆束而成的光纤束,所述光传输体包含纤维线材和被覆层,所述纤维线材由纤芯和被覆所述纤芯的外周面的包层构成,所述纤芯由第1玻璃构成,所述包层由第2玻璃构成,所述被覆层被覆所述包层的外周面,所述光纤束中,
所述光纤束的至少一个端部被粘接剂所固定,并且不具备覆盖被固定的所述端部的外周的盖帽,
所述被覆层包含具有1~7个碳原子且未被氟取代的烷基,所述烷基藉由硅氧烷键与所述包层连接。
2.如权利要求1所述的光纤束,其中,所述烷基所具有的碳原子数为6个或7个。
3.如权利要求1所述的光纤束,其中,所述烷基由CH3(CH2)m-表示,m表示0~6的整数。
4.如权利要求3所述的光纤束,其中,表示所述烷基的所述式中的m为5或6。
5.如权利要求1~4中任一项所述的光纤束,其中,所述被覆层进一步包含表面活性剂。
6.如权利要求1~4中任一项所述的光纤束,其中,所述光纤束为像导。
7.如权利要求1~4中任一项所述的光纤束,其中,所述光纤束为光导。
8.一种内窥镜,其具备权利要求1~7中任一项所述的光纤束。
9.一种光纤束的制造方法,其为权利要求1~7中任一项所述的光纤束的制造方法,该方法包括:
对被覆所述纤芯的外周面的所述包层的外周面涂布处理液,由此在所述包层的外周面形成所述被覆层而得到所述光传输体,所述处理液含有包含具有1~7个碳原子且未被氟取代的烷基的烷基硅烷;
将多根所述光传输体捆束而得到光传输体的束;
准备具有能够将所述束的端部插入的贯通孔的夹具;
将所述束的至少一个端部插入到所述夹具的所述贯通孔中,直至前端部突出为止;
在包含从所述贯通孔突出的突出部的所述束的端部涂布粘接剂,对端部进行固定;以及
切断所述突出部,并对端面进行研磨。
10.如权利要求9所述的光纤束的制造方法,其中,所述烷基所具有的碳原子数为6个或7个。
11.如权利要求9或10所述的光纤束的制造方法,其中,所述烷基硅烷由CH3(CH2)mSi(OR)n(R’)3-n表示,此处,所述式中的m表示0~6的整数,n表示0~3的整数,R各自独立地表示甲基或乙基,R’各自独立地表示氢原子、甲基或乙基。
12.如权利要求11所述的光纤束的制造方法,其中,表示所述烷基硅烷的所述式中的m为5或6。
13.如权利要求9或10所述的光纤束的制造方法,其中,所述光纤束为像导。
14.如权利要求9或10所述的光纤束的制造方法,其中,所述光纤束为光导。
15.如权利要求9或10所述的光纤束的制造方法,其中,所述处理液进一步包含表面活性剂。
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