CN1869094A - 壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)多异氰酸酯先与聚多元醇以及二醇或二胺反应，得到聚氨酯预聚体；(2)再用有机溶剂将聚氨酯预聚体溶解，加入离子化剂，得到离子化聚氨酯预聚体；(3)离子化聚氨酯预聚体与壳聚糖水溶液和乳化剂反应，得到聚氨酯乳液或微乳液，还可以成膜。本发明制备方法简单，所制备的壳聚糖改性嵌段聚氨酯弹性体具有机械性能好、易加工、耐油耐水性好、性能可控、生物相容性好、可生物降解、生物活性高、有很好血液接触性等良好性能，可应用于机械工业、建筑工业、体育、医疗等领域，尤其在生命科学研究、医用材料及医用器械方面有较为广泛的用途。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，由该方法制备的聚氨酯弹性体材料可应用于机械工业、建筑工业、体育、医疗等领域，尤其在医用材料方面有较为广泛的用途。
二、背景技术
聚氨酯(PU)弹性体是一类具有优异综合性能的高分子材料，耐磨性好、硬度范围宽、强度和伸长率都高、负载支撑容量大、减震效果好、耐油性能优异、生物相容性、成型加工性能好和性能可控，故聚氨酯弹性体居目前合成材料之首，除大量用在耐磨、耐油、吸震和高负载容量上之外，还大量用作人工心脏及人工心脏辅助装置、人造血管、人造肾脏、人造皮肤、介入诊疗导管、人工关节、人工软骨、生物粘接剂、神经导管和控制释放载体等医用材料上。参见：(1)傅明源，孙酣经，《聚氨酯弹性体及其应用》.北京：化学工业出版社，1999；(2)SandersJ.H.et al，《Polyurenthanes，Interscience Publishers》，1964。
聚氨酯(PU)弹性体是由多异氰酸酯、聚合物多元醇、不同扩链剂二醇或二胺及不同硫化剂、填料和助剂等构成。
在医学领域所选用的高分子材料要比工业上的要求高得多，尤其对植入人体的材料要求更高，具体要求是：化学性能稳定；组织相容性好；无致癌性；耐生物老化；能经受各种消毒过程而不变性；成型加工性能好。目前，聚氨酯弹性体的生物活性不够，在医学领域的应用有很大局限性，所以需要制备一种生物活性高的聚氨酯弹性体材料，来满足医学领域对高分子材料的需求。
壳聚糖含有游离氨基，能结合酸分子，是天然多糖中唯一的碱性多糖，因而具有许多特殊的物理化学性质和生理功能。而且由于壳聚糖在人体内可生物降解，无毒副作用，来源广泛，生物活性高，以及具有抑菌、抗肿瘤、调血脂、调节免疫、活化肠道双歧杆菌等多种生理功能，同时不同分子量范围的壳聚糖对血液的活性具有不同的性质(低分子量时表现抗凝血性，高分子量时表现促凝血性)，因此广泛应用于精细化工、生物医药、保健食品和农林畜牧等方面。参见：(1)蒋挺大.《甲壳素[M]》.北京：化学工业出版社，2003；(2)Rabea E.I.，BadawyM.E.T.，Stevens C.V.，Smagghe G.，Steurbaut W.《Biomacromolecules》，4，2003，1457；(3)Badawy M.E.I.，Rabea E.I.，Rogge T.M.，et al.，《Biomacromolecules》，5，2004，589。但是壳聚糖的机械性能、耐生物老化能力和成型加工性能明显不足。
所以急需一种方法，利用壳聚糖改性制备新型的聚氨酯材料，使材料除了符合生物医用材料的基本要求之外，还具有壳聚糖良好的生物活性和多种优异的生理功能的特征，又具有聚氨酯弹性体耐生物老化、机械性能好、易加工等的优点。目前，国内制备壳聚糖和聚氨酯复合材料的方法，有用水性聚氨酯溶液和壳聚糖溶液物理共混做血液相容性涂液层，例如中国专利公开文件CN1306042A，和利用改性壳聚糖和特定的聚氨酯经行溶液反应制备可降解半互穿聚合物网络弹性材料，例如中国专利公开文件CN1583853A，以及用壳聚糖交联活性炭聚氨酯制备泡沫生物固定载体，例如中国专利公开文件CN1587106A。上述方法制备的壳聚糖和聚氨酯复合材料的功能单一，应用领域小，原料范围窄。
三、发明内容
1、发明目的：本发明的目的是提供一种壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，由该方法制备的材料机械性能好、易加工、耐油耐水性好、生物相容性好、与基材结合性好、可生物降解、生物活性高、有很好血液接触性，制备方法简单。并且通过控制引入壳聚糖的分子量从而达到最终材料对血液接触性的可控。
2、技术方案：本发明所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)多异氰酸酯(A)与聚多元醇(B)以及二醇或二胺(C)反应，得到聚氨酯预聚体；
(2)用有机溶剂(D)将聚氨酯预聚体溶解，加入离子化试剂(E)，得到离子化聚氨酯预聚体；
(3)离子化聚氨酯预聚体与壳聚糖水溶液(F)反应，得到聚氨酯乳液或微乳液。
在本发明的优选方案中，组分多异氰酸酯(A)先与组分聚合物多元醇(B)反应，再加入功能化组分(C)反应，进而与壳聚糖(F)反应。
在本发明方法中，所选择的异氰酸酯基团与所有和异氰酸酯反应的羟基和胺基的比例为0.5-3∶1，优选比例为0.6-2∶1，更优选比例为0.8-1.2∶1。
合适的多异氰酸酯组分(A)优选为具有大于或等于2异氰酸酯官能团度的多异氰酸酯，可以是对苯二甲烷二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、环己基二异氰酸酯(THDI)、赖氨酸乙酯二异氰酸酯(LEDI)等中的一种或几种。反应物中二异氰酸酯的重量为0.1-80％，优选0.5-70％，最优选1-60％。
合适的聚合物多元醇(B)优选为聚合物二元醇、聚合物二元胺或聚合物醇胺，可以是聚醚二醇、聚醚二胺或聚醚醇胺，也可以是聚醚二醇、聚醚二胺或聚醚醇胺，通式为：
其中n为1到4600的整数；X、Y分别为羟基、胺基或亚胺基有机基团中的一种或几种；当X、Y为亚胺基时包括烷基亚胺基如甲基亚胺基、乙基亚胺基、丙基亚胺基等，还可以是芳基亚胺基如苯基亚胺基、苯甲基亚胺基等；R2为亚甲基、乙基、或苯基有机基团中的一种或几种；R1可以为烷烃基CmH2m或烯烃基CmH2m-2中的一种或几种(其中m＝2-6)，也可以为二酯基中的一种或几种，通式：
其中a为0到10的整数，b为2到10的整数。聚合物多元醇(B)的分子量可以从62-200000，优选100-100000。反应物中聚合物二元醇的重量为1-90％，优选5-80％，最优选10-70％。
合适的二醇或二胺(C)为小分子二醇或二胺，可以是乙二醇、丙二醇、1，4-丁二醇、己二醇、一缩二乙二醇、对苯二甲酸二乙二酯二醇、二甘醇、乙二胺、4，4’-二胺二苯基甲烷(MDA)、3，3’-二氯-4，4’-二胺二苯基甲烷(MOCA)、二羟甲基丙酸(DMPA)、2，2-二羟甲基丁酸(DMBA)、酒石酸(2，3-二羟丁二酸)中的一种或几种，优选二羟甲基丙酸(DMPA)、2，2-二羟甲基丁酸(DMBA)、酒石酸(2，3-二羟丁二酸)中的一种或几种。反应物中组分(C)的重量为0.1-40％，优选1-35％，最优选2-30％。
合适的有机溶剂(D)为丙酮(acetone)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N，N-二乙基甲酰胺、四氢呋喃(THF)、二甲亚砜(DMSO)中的一种或上述溶剂的混合溶剂。预聚体反应物与溶液的重量比为0.1-95％，优选1-90％，最优选2-80％；反应时间为10分钟至48小时，优选20分钟至36小时，更优选30分钟至24小时。
合适的离子化试剂(E)可以是三甲胺(TMA)、三乙胺(TEA)、三苯胺(TPA)、二乙基三胺(DETA)、三乙基四胺(TETA)、四乙基五胺(TEPA)中一种或几种。反应物中离子化试剂的重量为0.1-30％，优选0.2-25％，最优0.5-20％。
合适的壳聚糖水溶液(F)中，壳聚糖的通式：
其中n为0到3100的整数；R3可以为H原子或乙酰基，但是乙酰基在壳聚糖中对应胺基的重量比例不超过50％，即壳聚糖的脱乙酰度为50-100％，优选55-99％，最优选60-95％；壳聚糖的分子量为162-1000000，优选324-500000，最优选324-100000；壳聚糖水溶液的浓度(wt％)为0.1-50％，优选0.2-40％，最优选0.5-30％。反应物中壳聚糖的重量为0.01-90％，优选0.05-80％，最优选0.1-70％。
合适的乳化剂(G)可以是阴离子、阳离子、两性离子或非离子型乳化剂，优选磺酸盐和季铵盐等，可以为磺化聚苯乙烯、十二烷基苯磺酸钠、季铵化聚丙烯酰胺、丙烯酸乙烯基吡啶共聚物、聚乙烯醇等中的一种或几种，也可以采用自乳化技术。同时可以是壳聚糖水溶液往聚氨酯预聚体中加入，也可以是聚氨酯预聚体往壳聚糖水溶液中加入；反应时间为10分钟至72小时，优选30分钟至48小时，更优选1小时至36小时；得到的可以是聚氨酯聚合物的乳液，也可以是聚氨酯聚合物的微乳液。聚氨酯预聚体的乳液或微乳液可以直接使用，也可以成膜后加工使用，可以室温成膜，也可以加热成膜，成膜温度为0-80℃，优选10-70℃。聚氨酯乳液或微乳液稳定性很好，室温下存放半年未发现沉淀物。反应物中乳化剂的重量为0-90％，优选0-80％，最优选0-70％。
上述聚氨酯预聚反应可以用催化剂，也可以不用，催化剂可以是酸、碱、酰氯、胺或某些金属化合物，优选油酸、辛酸亚锡、二丁基锡二月桂酸酯和三亚乙基二胺等，考虑到有机金属化合物的毒性，优选三亚乙基二胺。反应物中催化剂的重量为0-10％，优选0-9％，最优选0-8％。
上述聚氨酯预聚反应条件为惰性气体保护下加热，温度为-20-100℃，优选20-90℃；时间为10分钟-48小时，优选0.5-24小时；惰性气体包括氮气、氩气、氦气、氖气等，优选氮气、氩气等。
3、有益效果：本发明制备方法简单，所制备的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体具有机械性能好、易加工、耐油耐水性好、性能可控、生物相容性好、可生物降解、生物活性高、有很好血液接触性(抗凝血或促凝血能力优异)等良好性能，可应用于机械工业、建筑工业、体育、医疗等领域，尤其在医用材料或医用器械方面有较为广泛的用途。
四、具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详述。
实施例1：在三颈瓶中依次加入10g聚四氢呋喃二醇(PTMO，Mn＝1000)、6.66g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，通氩气，机械搅拌，在75-85℃下反应3小时，然后加入1.34g二羟甲基丙酸(DMPA)，继续反应2小时。降温，加入50ML丙酮浸润，搅拌10分钟，再加入1.01g三乙胺(TEA)反应10分钟，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的丙酮溶液。机械搅拌，室温下，将648g 1％的壳聚糖(Mn＝5000)水溶液缓慢滴入聚氨酯预聚体的丙酮溶液中，反应24小时，得到稳定的黄色聚氨酯微乳液。注入聚四氟乙烯盘，40℃烘箱中成膜，一天后得到干燥的黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料杨氏模量149.6MPa；受热分解温度大于275℃；接触角49.1°；复钙时间73.6±8.11S，t样品/t空白＝2.25，t样品/t硅油＝1.43(具有很好的抗凝血性)；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
样品应力-应变分析采用仪器为WO-I型电子万能试验机，制备厚度0.15-0.35mm的薄膜材料，材料切片为：长0.5cm，宽0.4cm，拉伸速率10cm/min，湿度：50％，温度：20℃。
耐温性能测试，即热重分析(TGA)采用的仪器型号为Pyris 1 TGA，温度范围：室温-1000℃，灵敏度：0.1μg，升温速率：0.1-200℃/min。
接触角的测定采用CAM200接触仪(KSV Instrument Ltd.Finland)测水在室温下材料表面的静止接触角。
抗凝血试验，测定血浆复钙时间：取洁净干燥的玻璃试管，用1％浓度的各样品液均匀涂布测定管，涂好后的样品管倒置于滤纸上，于0℃-4℃冰箱中过夜。在样品管中加入枸橼酸钠抗凝血浆0.1ml，再加入0.025mol/L CaCl2 0.1ml，开启秒表，记录出现乳白色絮状物的时间，并以涂布甲基硅油试管和空白试管作对照。
实施例2：在三颈瓶中依次加入200g聚环氧乙烷二醇(PEG，Mn＝20000)、5.36g对苯二甲烷二异氰酸酯(MDI)，通氮气，机械搅拌，在50-60℃下反应6小时，然后加入1.48g 2，2-二羟甲基丁酸(DMBA)，继续反应4小时。降温，加入100mL DMF浸润，搅拌30分钟，再加入0.59g三甲胺(TMA)反应30分钟，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的丙酮溶液。机械搅拌，室温下，将81g 2％的壳聚糖(Mn＝10000)水溶液缓慢滴入聚氨酯预聚体的DMF溶液中，反应1小时，得到稳定的淡黄色聚氨酯微乳液。聚四氟乙烯盘，20℃烘箱中成膜，一天后得到干燥的淡黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料杨氏模量36.7MPa；受热分解温度大于275℃；接触角20.7°；复钙时间49.4±7.44S，t样品/t空白＝1.51，t样品/t硅油＝0.96(具有较好的抗凝血性)；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
测试方法同实施例1。
实施例3：在三颈瓶中依次加入30g聚四氢呋喃二醇(PTMO，Mn＝3000)、5.22g甲苯二异氰酸酯(TDI)，通氩气，机械搅拌，在80℃-90℃下反应2小时，然后加入1.50g酒石酸(2，3-二羟丁二酸)，继续反应1小时，降温并加入30ml四氢呋喃浸润，搅拌30分钟，再加入2.06g二乙基三胺(DETA)反应1小时，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的四氢呋喃溶液。机械搅拌，室温下，将162g 10％的壳聚糖(Mn＝1000)水溶液缓慢滴入聚氨酯预聚体的四氢呋喃溶液中，反应12小时，得到稳定的黄色聚氨酯乳液。聚四氟乙烯盘，60℃烘箱中成膜，一天后得到干燥的黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料杨氏模量67.8MPa；受热分解温度大于275℃；接触角67.5°；复钙时间78.1±13.9S，t样品/t空白＝2.39，t样品/t硅油＝1.52(具有很好的抗凝血性)；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
测试方法同实施例1。
实施例4：在三颈瓶中依次加入0.1g辛酸亚锡、1000g聚己二酸乙二醇酯二醇(Mn＝100000)、6.72g六亚甲基二异氰酸酯(HDI)，通氩气，机械搅拌，在40℃-50℃下反应10小时，然后加入3.00g丙二醇，继续反应5小时。降温，加入100ml DMAc浸润，搅拌1小时，再加入5.84g三乙基四胺(TETA)反应1小时，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的DMAc溶液。机械搅拌，室温下，聚氨酯预聚体的DMAc溶液加入10g聚乙烯醇，再缓慢加入1620g 0.2％的壳聚糖(Mn＝100000)水溶液，反应18小时，得到稳定的黄色聚氨酯乳液。聚四氟乙烯盘，30℃烘箱中成膜，一天后得到干燥的黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料受热分解温度大于275℃，具有很好的促凝血性；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
实施例5：在三颈瓶中依次加入0.2g二丁基锡二月桂酸酯、4g聚丁烯二醇(Mn＝400)、8.30g环己基二异氰酸酯(THDI)，通氮气，机械搅拌，在60℃-70℃下反应24小时，然后加入2.48g乙二胺，继续反应12小时。降温，加入1000MLDMF浸润，搅拌2小时，再加入6.70g三乙胺(TEA)反应2小时，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的DMAc溶液。机械搅拌，室温下，聚氨酯预聚体的DMF溶液加入50g十二烷基苯磺酸钠，再缓慢加入5000g 0.1％的壳聚糖(Mn＝500000)水溶液，反应48小时，得到稳定的黄色聚氨酯乳液。聚四氟乙烯盘，50℃烘箱中成膜，一天后得到干燥的黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料受热分解温度大于275℃，具有很好的促凝血性；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
实施例6：在三颈瓶中依次加入50g聚环氧乙烷二醇(PEG，Mn＝5000)、6.78g赖氨酸乙酯二异氰酸酯(LEDI)，通氦气，机械搅拌，盐冰浴，-20℃下反应48小时，然后加入1.34g二甘醇，继续反应36小时。降温，加入50MLDMSO浸润，搅拌48小时，再加入0.65g三甲胺(TMA)反应10分钟，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的DMSO溶液。机械搅拌，室温下，将1296g 1％的壳聚糖(Mn＝1000)水溶液缓慢滴入聚氨酯预聚体的DMSO溶液中，反应72小时，得到稳定的黄色聚氨酯微乳液。注入聚四氟乙烯盘，0℃烘箱中成膜，两天后得到干燥的黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料受热分解温度大于275℃，具有很好的抗凝血性；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
实施例7：在三颈瓶中依次加入0.1g辛酸亚锡、0.64g乙二醇(M＝64)、5.22g甲苯二异氰酸酯(TDI)，通氖气，机械搅拌，在100℃下反应10分钟，然后加入3.48g对苯二甲酸二乙二酯二醇，继续反应30分钟。降温，加入100MLDMF浸润，搅拌10分钟，再加入2.45g三苯胺(TPA)反应10分钟，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的DMF溶液。机械搅拌，室温下，将324g 0.5％的壳聚糖(Mn＝2000)水溶液缓慢滴入聚氨酯预聚体的DMF溶液中，反应10分钟，得到稳定的黄色聚氨酯微乳液。注入聚四氟乙烯盘，80℃烘箱中成膜，一天后得到干燥的黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料受热分解温度大于275℃，具有很好的抗凝血性；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
实施例8：在三颈瓶中依次加入0.1g三亚乙基二胺、2000g聚环氧乙烷二醇(PEG，Mn＝200000)、5.04g六亚甲基二异氰酸酯(HDI)，通氩气，机械搅拌，在93-97℃下反应1小时，然后加入6.74g3，3’-二氯-4，4’-二胺二苯基甲烷(MOCA)，继续反应2小时。降温，加入100MLDMF浸润，搅拌30分钟，再加入2.45g三苯胺(TPA)反应30分钟，得到无色透明溶液，即聚氨酯预聚体的DMF溶液。机械搅拌，室温下，将1620g 0.05％的壳聚糖(Mn＝4000)水溶液缓慢滴入聚氨酯预聚体的DMF溶液中，反应36小时，得到稳定的黄色聚氨酯微乳液。注入聚四氟乙烯盘，70℃烘箱中成膜，一天后得到干燥的黄色壳聚糖改性聚氨酯弹性体的膜。该材料受热分解温度大于275℃，具有很好的抗凝血性；乳液在室温下放置六个月无沉淀物析出。
Claims (9)
1、一种壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将多异氰酸酯(A)与聚多元醇(B)以及二醇或二胺(C)在-20至100℃温度及惰性气体保护下反应，得到聚氨酯预聚体；
(2)用有机溶剂(D)将聚氨酯预聚体溶解，加入离子化试剂(E)，得到离子化聚氨酯预聚体；
(3)离子化聚氨酯预聚体与壳聚糖水溶液(F)反应，得到聚氨酯乳液或微乳；
反应所述的异氰酸酯基团与所有和异氰酸酯反应的羟基和胺基的比例为0.5-3∶1，优选比例为0.6-2∶1，更优选比例为0.8-1.2∶1。
2、根据权利要求1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(1)中，在所述的反应中可以加入催化剂，催化剂可以是酸、碱、酰氯、胺或金属化合物，催化剂的重量为0-10％，反应时间为10分钟至48小时。
3、根据权利要求1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(2)中，所述的有机溶剂(D)可以为丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二乙基甲酰胺、四氢呋喃、二甲亚砜中的一种或上述溶剂的混合溶剂，反应时间为10分钟至48小时。
4、根据权利要求1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(3)中，在所述的反应中，可以加入乳化剂(G)，所述的乳化剂(G)可以是阴离子、阳离子、两性离子或非离子型乳化剂，反应时间为10分钟至72小时，反应物中乳化剂的重量为0-90％。
5、根据权利要求书1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述的多异氰酸酯组分(A)为具有大于或等于2异氰酸酯官能团度的多异氰酸酯，反应物中二异氰酸酯的重量为0.1-80％。
6、根据权利要求书1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述的聚合物多元醇(B)为聚合物二元醇、聚合物二元胺或聚合物醇胺。
7、根据权利要求书1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述的二醇或二胺(C)为小分子二醇或二胺，反应物中小分子二醇或二胺的重量为0.01-90％。
8、根据权利要求书1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(2)中，所述的离子化试剂(E)为三甲胺、三乙胺、三苯胺、二乙基三胺、三乙基四胺、四乙基五胺(TEPA)中一种或几种，反应物中离子化试剂的重量为0.01-90％。
9、根据权利要求书1所述的壳聚糖改性水性聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于步骤(3)中，所述的壳聚糖水溶液(F)中的壳聚糖的通式：
其中n为0到3100的整数；R3可以为H原子或乙酰基，乙酰基在壳聚糖中对应胺基的重量的比不超过50％，壳聚糖水溶液的浓度(wt％)为0.1-50％，反应物中壳聚糖的重量为0.01-90％。
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