CN111530516B - 一种基于3d打印技术的生物微流控芯片快速成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，包括在成型基板上涂覆含有活性细胞的光固化水凝胶材料，并将透明盖体扣合在成型基板上以形成容纳光固化水凝胶材料的腔室；启动CO₂浓度控制组件，调节腔室内的CO₂浓度；复位挡光组件，以使其处于挡光状态，并启动第一光机和第二光机，第一光机和第二光机输出互为镜像的曝光图像；当第一光机和第二光机的光强达到阈值后，移开挡光组件，对光固化水凝胶材料进行曝光处理；复位挡光组件，关闭第一光机和第二光机，并将未固化的水凝胶材料清洗掉，得到生物微流控芯片。该方法简化了微流控芯片的制备过程，提高成型速度，有效避免了细胞失活，利于实现对生物微流控芯片的快速成型。

Description

一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法。

背景技术

微流控技术近年来被广泛地应用于生物检测、化学分析、医疗检测、环境工程、食品工程等领域，与我们的生活息息相关。现有的微流控技术通常为光刻技术和刻蚀技术。制备微流控芯片的过程中，一般需要先在干净的基片上覆盖一层六甲基二硅胺烷薄膜(hexamethyedisilane，HMDS)，然后再在薄膜表面均匀地覆盖一层光胶，最后将掩膜上微流控设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层上，以得到满足要求的微流控芯片。也就是说，利用光刻和刻蚀技术制备微流控芯片的过程，主要由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个大工序组成，其中还穿插有硅片清洗、预烘覆膜、涂光刻胶、软烤、校准、曝光、后烤、显影、硬烤及检测等十多个小工序。整个制备工艺十分复杂、耗时较长。而且，由于在制备微流控芯片的过程中，通常使用玻璃或石英作为基体材料，采用现有技术的各向同性腐蚀技术，深度刻蚀困难，很难获得深宽比大的微结构。

最重要的是，现有的微流控芯片制备过程中，往往需要加入多种化学试剂，这些化学试剂的加入会对微流控芯片内的细胞产生生物毒性，使其无法存活。这就意味着，利用现有的微流控技术很难制备出含有活性细胞的芯片，这很大程度的限制了3D打印技术的进一步推广应用，同时也不利于改善微流控芯片的整体综合性能。因此，针对现有微流控技术存在的上述缺陷，设计一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，以制得深宽比较大的通道，且能保留芯片内的生物活性，就显得至关重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，基于成型基板以及设置在成型基板上下两侧的第一光机和第二光机，所述第一光机和第二光机分别配有挡光组件，且成型基板配有透明盖体，所述透明盖体扣合在成型基板上形成腔室，所述腔室配有CO₂浓度控制组件；所述方法包括：

在成型基板上涂覆含有活性细胞的光固化水凝胶材料，并将透明盖体扣合在成型基板上以形成容纳光固化水凝胶材料的腔室；

启动CO₂浓度控制组件，调节腔室内的CO₂浓度；

使挡光组件处于挡光状态，并启动第一光机和第二光机，所述第一光机和第二光机输出互为镜像的曝光图像；

当第一光机和第二光机的光强达到阈值后，移开挡光组件，对光固化水凝胶材料进行曝光处理；

复位挡光组件，关闭第一光机和第二光机，并将未固化的水凝胶材料清洗掉，得到成型的生物微流控芯片。

进一步的，所述腔室还配设有温度控制组件以及湿度控制组件；

所述复位挡光组件，以使其处于挡光状态，并启动第一光机和第二光机，所述第一光机和第二光机输出互为镜像的曝光视频信号步骤之前，还包括：

启动所述温度控制组件以及所述湿度控制组件，调节腔室内的温度和湿度。

进一步的，所述腔室内的CO₂浓度为4.5-5.5％，温度为36-38℃，所述湿度为94-96％。

进一步的，所述温度控制组件包括设置在透明盖体内部的管道以及储热介质发生器，所述管道两端分别与储热介质发生器相连，所述管道用于输送储热介质，以形成循环回路；所述湿度控制组件为雾化器。

进一步的，所述CO₂浓度控制组件包括CO₂储气罐以及CO₂浓度检测器，所述CO₂浓度检测器以及CO₂储气罐分别通过气管与腔室相连通。

进一步的，所述复位挡光组件，关闭第一光机和第二光机，并将未固化的水凝胶材料清洗掉，得到成型的生物微流控芯片步骤之后，还包括：

向生物微流控芯片中滴入染色液体；

判断染色液体是否沿流道方向扩散；

若是，则认为流道畅通；否则视为流道堵塞。

进一步的，所述活性细胞在光固化水凝胶材料中的浓度为90-110个/mL。

进一步的，所述曝光图像包括曝光区域和未曝光区域，所述曝光区域与所述未曝光区域的光照强度之比为900-1100:0.8-1.2。

进一步的，所述挡光组件包括遮光板以及与遮光板相连的电机，所述电机用于驱动遮光板转动，所述遮光板上安装有光敏传感器件，所述光敏传感器件用于检测第一光机和第二光机的出光强度。

进一步的，所述遮光板设置在靠近成型基板的位置，所述遮光板设有镂空结构，所述镂空结构用于控制出光形状，以调节固化区域。

本发明取得的技术效果如下：

本发明提供了一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，该方法在成型基板上下两侧同时配设光机，以实现对微流控芯片的两侧同时进行曝光处理，提高微流控芯片的成型速度，简化加工过程，进而达到提高制作效率的目的。此外，通过在成型基板上设有透明盖体，透明盖体与成型基板相互配合形成成型腔室，并通过给腔室配置温度控制组件、湿度控制组件以及CO₂浓度控制组件，实现了对腔室内环境的准确控制，能过较为准确的模拟细胞生长环境，避免了光固化水凝胶材料中的细胞失活，利于实现对生物微流控芯片的快速成型制备。

附图说明

图1为实施例1中成型基板、第一光机、第二光机、挡光组件、透明盖体、CO₂储气罐以及CO₂浓度检测器的位置关系示意图。

图2为实施例1中透明盖体以及管道的位置关系示意图。

图3为实施例1中生物微流控芯片的快速成型流程图。

图4为实施例1中第一光机曝光图片信息示意图。

图5为实施例1中第二光机曝光图片信息示意图。

图6为实施例1中生物微流控芯片的成品示意图。

附图标记：

1-成型基板，2-第一光机，3-第二光机，4-挡光组件，41-遮光板，42-电机，5-透明盖体，6-光固化水凝胶材料，7-CO₂储气罐，8-CO₂浓度检测器，9-管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1：

本实施例提供了一种生物微流控芯片快速成型装置，该装置能够用于生物微流控芯片的快速成型。生物微流控芯片快速成型装置包括成型基板1以及设置在成型基板1上下两侧的第一光机2和第二光机3。成型基板1为透明玻璃板，且水平设置，用于放置光固化材料。第一光机2设置在成型基板1的上方，第二光机3设置在成型基板1的下方，第一光机2和第二光机3出光方向相对，即第一光机2和第二光机3的出光面相对应，用于对放置在成型基板1上的光固化材料进行曝光。第一光机2和第二光机3分别配有挡光组件4，即第一光机2与成型基板1之间设有一挡光组件4，第二光机3与成型基板1之间也设有一挡光组件4，挡光组件4用于实现曝光控制。在具体使用过程中，挡光组件4是通过对第一光机2和第二光机3发出的光线进行遮光与否来实现曝光控制的。

本实施例中，挡光组件4包括遮光板41以及与遮光板相连的电机42，电机42的工作端与遮光板41相连，电机42用于驱动遮光板41转动，以实现遮光板41在光机和成型基板1之间进行位置移动，进而实现曝光控制。遮光板41上安装有光敏传感器件，如光强检测仪，光敏传感器件用于检测第一光机2和第二光机3的出光强度。换句话说，挡光组件4主要是为了在第一光机2和第二光机3的光源未达到稳定之前，阻止光线直接照射成型基板1上的光固化材料，以免由于光线的不稳定引起光固化材料的硬化或变形。也就是说，一般在光源未达到稳定之前，需要利用遮光板41将光机发出的光线遮挡住，待光机输出的光线达到标准出光能量时，就可以移开遮光板41，利用第一光机2和第二光机3对成型基板1上下表面进行照射，实现产品的固化成型。

成型基板1还配设有透明盖体5，透明盖体5为U字型结构，透明盖体5扣合在成型基板1上可以形成相对密封的腔室，为微流控芯片的加工过程提供了稳定的环境保护。且腔室配设有CO₂浓度控制组件、温度控制组件以及湿度控制组件，通过CO₂浓度控制组件调节腔室内CO₂浓度，通过温度控制组件来调节腔室内的温度，通过湿度控制组件来调节腔室内的湿度，以模拟细胞在生物体内的生长环境，为其存活提供良好环境。当然，腔室内也配设有温度计以及湿度检测装置，以用于检测温度和湿度。本实施例中，湿度控制组件选用了雾化器，如赛达生产得的雾化器产品，雾化器直接设置在透明盖体内部，即雾化器直接设置在腔室内，用于对腔室内的空气进行加湿处理。而温度控制组件则包括设置在在透明盖体5内部的管道9以及储热介质发生器，管道9嵌在透明盖体5内，透明盖体5上开设有与管道9两端相连通的入口和出口，管道9两端分别通过入口和出口与储热介质发生器相连，以形成循环回路，储热介质发生器通过将储热介质送入管道9内，由管道9输送储热介质来实现对腔室内部的加热，以实现腔室温度的控制。

作为优选的，CO₂浓度控制组件包括CO₂储气罐7以及CO₂浓度检测器8，CO₂浓度检测器8以及CO₂储气罐7分别通过气管与腔室相连通。其中，CO₂储气罐通过气管向腔室内输送CO₂气体，与此同时，CO₂浓度检测器8通过气管实时检测腔室内部的CO₂浓度，当CO₂浓度达到阈值，便可以停止向腔室内输送CO₂气体。为了更真实的模拟细胞在生物体内的生长环境，一般控制腔室内的CO₂浓度为4.5-5.5％，优选5％；温度为36-38℃，优选37℃；湿度为94-96％，优选95％。值得注意的是，由于在成型基板1上下两侧设置了第一光机2和第二光机3，使得微流控芯片的成型速度得到了显著提高，这就意味着，腔室内CO₂浓度一旦调节好以后，在微流控芯片的成型过程中，其浓度变化量是较少的，即腔室内CO₂浓度变化基本可以忽略。由于腔室内的环境酸碱值与CO₂浓度密切相关，当腔室内CO₂浓度基本不变时，则腔室内的环境酸碱值也可以视为不变。通常情况下，当腔室内CO₂浓度为5％时，腔室内的环境酸碱值pH＝7.2-7.4之间，也是非常适合细胞生长的。

作为优选的，第一光机2和第二光机3均为投影光机，第一光机2和第二光机3分别配设有视频输出装置，即第一光机2和成型基板1之间设置有一个视频输出装置，第二光机3和成型基板1之间设置有一个视频输出装置。视频输出装置用于输出曝光图像，曝光图像设有不同的明暗区域，其中偏亮的区域透光率较大，与其对应的光固化材料自然就是发生交联固化的区域，与偏暗区域相对应的光固化材料则固化度较低或未发生固化。光机与视频输出装置之间的配合与投影仪工作原理类似，在此不做赘述。视频输出装置通过改变输出图像来调节光固化胶材料的固化区域，进而制备出不同结构的微流控芯片。其中，第一光机2和第二光机3的成像景深均为45-55μm，优选50μm；而第一光机2和第二光机3的像素尺寸均为25-50μm，优选40μm。也就是说，第一光机2和第二光机3相互配合能够实现100μm左右的成像景深的成像效果。第一光机2和第二光机3的成像景深以及成像分辨率并不是固定不变的，它们均可根据实际需要进行调节，且通过调节第一光机2和第二光机3的成像景深及像素尺寸还可以实现大深宽比的微流控芯片的制备。

作为优选的，还包括控制系统，控制系统分别与第一光机2、第二光机3、以及视频输出装置电连接，用于实现自动化控制。在具体操作过程中，控制系统可以通过视频输出装置确定待投射的曝光图片，由于两个视频输出装置分别设置在成型基板两侧，且对称分布，因此两个视频输出装置反映出的曝光图片是关于成型基板呈镜面对称的，且曝光图片包含的具体图像与微流控芯片的轮廓切片渲染图相匹配，两者误差不超过光学设计的允许范围即可。这里所说的光学误差取决于光机的分辨率，如像素为50μm，那么光学误差就是半个像素，也就是25μm，只要轮廓切片渲染图与曝光图片包含的具体图像之间的误差小于25μm，即可认为是在光学设计的误差之内。控制系统启动第一光机2和第二光机3将与其自身对应的曝光图片投射至光固化材料表面，直至光固化材料固化成型为止。采用本实施例公开的快速成型装置制备微流控芯片，第一光机2和第二光机3对光固化胶材料两侧的曝光时间只需要为3-10s，优选6s。也就是说，改进后的快速成型装置能够将微流控芯片成型时间由数小时或数十小时缩短至几秒钟，制作效率得到了大大的提高。

当然，并不是只有为第一光机2和第二光机3配设视频输出装置才能实现对光固化胶材料的固化区域的控制，也可以采用其他方法来实现对固化区域的调节。比如，在遮光板41上设置镂空结构，设有镂空结构的遮光板41设置在靠近成型基板1的位置，镂空结构用于控制出光形状，使光固化材料表面的部分区域能够接收到光线照射，部分区域无法接收到光线照射，从而调节光固化材料的固化区域，实现对固化形状的控制

实施例2：

本实施例提供了一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，该方法的实施基于实施例1中提供的生物微流控芯片快速成型装置，该方法具体包括如下步骤：

101、在成型基板1上涂覆含有活性细胞的光固化水凝胶材料6，并将透明盖体5扣合在成型基板1上以形成容纳光固化水凝胶材料6的腔室。

具体实施过程，首先向清洁干净的成型基板1表面铺设一层薄膜HMDS，然后再在薄膜HMDS(六甲基二硅氮烷)上涂覆含有活性细胞的光固化水凝胶材料6。薄膜HMDS的设置是为了便于后续成型的微流控芯片与成型基板1的快速分离。本实施例中，成型基板1选用玻璃或石英均可。在向成型基板1表面涂覆光固化水凝胶材料6时，需要保证光固化水凝胶材料6是均匀铺设至在成型基板1上的，成型基板1表面各处的光固化水凝胶材料厚度是一致的。最后才将透明盖体5扣合在成型基板1上，形成容纳光固化水凝胶材料6的腔室。

本实施例中，在制备光固化水凝胶的过程中，是将丝素蛋白水溶液与核黄素水溶液混匀后得到复合溶液，即为固化前的水凝胶溶液。其中，所述丝素蛋白水溶液的浓度为10-200g/L；所述核黄素水溶液的浓度为0.002-0.2mmol/L。然后在制得的光固化水凝胶溶液中添加适量的活性细胞，控制活性细胞在光固化水凝胶材料6中的浓度为90-110个/mL，优选100个/mL。当然，上述光固化水凝胶也可以采用现有技术中的其他光固化水凝胶材料，在此不做唯一限制。

102、启动CO₂浓度控制组件，调节腔室内的CO₂浓度。

一旦扣合透明盖体5后，便形成了相对封闭的腔室。此时可启动CO₂储气罐7，由CO₂储气罐7向腔室内通入CO₂气体，同时开启CO₂浓度检测器8，实时检测腔室内的CO₂浓度，以调节CO₂浓度达到预设值，为细胞生长提供一个微碱性的生长环境。当检测到CO₂浓度达到预设值，便可以关闭CO₂储气罐7，停止CO₂气体的输入。当然，在调节腔室内CO₂浓度的同时，也需要启动温度控制组件以及湿度控制组件，对腔室内的温度和湿度进行调节。

通常情况下，当腔室内的CO₂浓度为4.5-5.5％，优选5％；温度为36-38℃，优选37％；湿度为94-96％，优选95％，认为是较为接近生物体内部环境的，即比较适合细胞的存活和生长，在该环境下进行3D打印制备生物微流控芯片是比较适宜的。

103、使挡光组件4处于挡光状态，并启动第一光机2和第二光机3，第一光机2和第二光机3输出互为镜像的曝光图像。

值得注意的是，第一光机2和第二光机3输出的曝光图像所包含的图形与生物微流控芯片的形状需吻合。第一光机2的曝光图像投影成像在成型基板1的上表面，第二光机3的曝光图像投影成像在成型基板1的下表面，第一光机2投影输出的曝光图像和第二光机3投影输出的曝光图像经过校准后实现重合，其中相对误差需计算是否在光学设计的允许范围内。第一光机2和第二光机3投影的曝光图像分为曝光区域和未曝光区域，曝光区域与未曝光区域相比具有不同的明亮度，曝光区域与所述未曝光区域的光照强度之比为900-1100:0.8-1.2，优选1000:1。曝光区域光照强度高，使得光固化水凝胶材料6与曝光区域相对应位置固化速度较快。而未曝光区域光照强度低，使得与未曝光区域相对应的光固化水凝胶材料6固化速度慢，甚至无法固化成型。这就使得光固化水凝胶材料6表面有的地方固化成型了，有的地方则没有固化成型，固化成型的地方与曝光图片相一致，又由于曝光图片与生物微流控芯片的结构相吻合，即固化成型的地方与生物微流控芯片的具体也是匹配的。

值得注意的是，在上述操作过程中，挡光组件4一直是处于挡光状态的，直至第一光机2和第二光机3的出光强度达到稳定为止。这是因为，现有技术中的光机多采用传统汞灯，汞灯需要待汞全部蒸发、气化，才能达到最高亮度，所以在光机预热等待阶段，一般需要使用遮光板进行挡光处理，以避免不稳定的光照影响生物微流控芯片的质量。

104、当第一光机2和第二光机3的光强达到阈值后，移开挡光组件4，对光固化水凝胶材料6进行曝光处理

一旦光敏传感器件检测到第一光机2和第二光机3的出光强度均达到稳定后，便可以通过电机42驱动遮光板41从成型基板1和光机之间移开，利用设置在成型基板1两侧的第一光机2和第二光机3将曝光图片投射至光固化水凝胶材料6的上下表面，即对光固化水凝胶材料6的两侧同时进行曝光处理，利用曝光图片中的明暗区域实现对固化区域的控制。其中，光照强度大的区域，水凝胶固化速度快，光照强度小的区域，水凝胶固化速度慢，甚至无法固化。固化时间达到预设时长后，使光固化水凝胶材料充分交联凝固，便可形成生物微流控芯的骨架结构。

105、复位挡光组件4，关闭第一光机2和第二光机3，并将未固化的水凝胶材料清洗掉，得到成型的生物微流控芯片。

当光固化水凝胶材料6与曝光图像中曝光区域相对应位置完全固化后，便可以通过电机42驱动遮光板41重新移动至光机和成型基板1之间，重新实现挡光功能，同时关闭第一光机2和第二光机3，结束打印。最后，利用去离子水或酒精对成型基板1上的生物微流控芯片进行清洗，将未固化的水凝胶去除掉，形成流道，流道与固化成型好的结构框架共同形成微流控芯片产品。

针对制备得到的生物微流控芯片产品，还需要进一步验证生物微流控芯片是否合格。常用的验证方法是向生物微流控芯片中直接滴入染色液体，若染色液体沿流道方向扩散，则认为流道畅通，得到的生物微流控芯片是合格的；否则视为流道堵塞，即生物微流控芯片是不合格的。

本实施例提供的基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，利用设置在成型基板1上下两侧的第一光机2和第二光机3同时对水凝胶材料进行照射，提高了微流控芯片的成型速度，简化了工艺难度。而且，通过对腔室内的温度、湿度以及二氧化碳浓度的控制，较为真实的模拟了细胞在生物体内的生长环境，避免了细胞发生生长抑制、细胞变异、功能改变、细胞溶解、死亡或其他毒性反应。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于，基于成型基板（1）以及设置在成型基板（1）上下两侧的第一光机（2）和第二光机（3），所述第一光机（2）和第二光机（3）分别配有挡光组件（4），且成型基板（1）配有透明盖体（5），所述透明盖体（5）扣合在成型基板（1）上形成腔室，所述腔室配有CO₂浓度控制组件；所述方法包括：

在成型基板（1）上涂覆含有活性细胞的光固化水凝胶材料（6），并将透明盖体（5）扣合在成型基板（1）上以形成容纳光固化水凝胶材料（6）的腔室；

启动CO₂浓度控制组件，调节腔室内的CO₂浓度；

使挡光组件（4）处于挡光状态，并启动第一光机（2）和第二光机（3），所述第一光机（2）和第二光机（3）输出互为镜像的曝光图像；

当第一光机（2）和第二光机（3）的光强达到阈值后，移开挡光组件（4），对光固化水凝胶材料（6）进行曝光处理；

复位挡光组件（4），关闭第一光机（2）和第二光机（3），并将未固化的水凝胶材料清洗掉，得到成型的生物微流控芯片；

所述腔室还配设有温度控制组件以及湿度控制组件；

所述复位挡光组件（4），以使其处于挡光状态，并启动第一光机（2）和第二光机（3），所述第一光机（2）和第二光机（3）输出互为镜像的曝光视频信号步骤之前，还包括：

启动所述温度控制组件以及所述湿度控制组件，调节腔室内的温度和湿度。

2.如权利要求1所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于：

所述腔室内的CO₂浓度为4.5-5.5%，温度为36-38℃，所述湿度为94-96%。

3.如权利要求1所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于：

所述温度控制组件包括设置在透明盖体（5）内部的管道（9）以及储热介质发生器，所述管道（9）两端分别与储热介质发生器相连，所述管道（9）用于输送储热介质，以形成循环回路；所述湿度控制组件为雾化器。

4.如权利要求1所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于：

所述CO₂浓度控制组件包括CO₂储气罐（7）以及CO₂浓度检测器（8），所述CO₂浓度检测器（8）以及CO₂储气罐（7）分别通过气管与腔室相连通。

5.如权利要求1所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于：

所述复位挡光组件（4），关闭第一光机（2）和第二光机（3），并将未固化的水凝胶材料清洗掉，得到成型的生物微流控芯片步骤之后，还包括：

向生物微流控芯片中滴入染色液体；

判断染色液体是否沿流道方向扩散；

若是，则认为流道畅通；否则视为流道堵塞。

6.如权利要求1所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于，所述活性细胞在光固化水凝胶材料（6）中的浓度为90-110个/mL。

7.如权利要求1所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于，所述曝光图像包括曝光区域和未曝光区域，所述曝光区域与所述未曝光区域的光照强度之比为900-1100:0.8-1.2。

8.如权利要求1所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于，所述挡光组件包括遮光板（41）以及与遮光板相连的电机（42），所述电机（42）用于驱动遮光板（41）转动，所述遮光板（41）上安装有光敏传感器件，所述光敏传感器件用于检测第一光机（2）和第二光机（3）的出光强度。

9.如权利要求8所述一种基于3D打印技术的生物微流控芯片快速成型方法，其特征在于，所述遮光板（41）设置在靠近成型基板（1）的位置，所述遮光板（41）设有镂空结构，所述镂空结构用于控制出光形状，以调节固化区域。

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