JP2001510375A - 制御された多孔度を有する合成骨代替物の製造方法 - Google Patents

制御された多孔度を有する合成骨代替物の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は特に骨の代わりに使用することを意図したマクロポーラスな合成セラミックスの製造方法に関する。本発明は又、寸法が制御された空孔から成り、該空孔は予め決められた数及び表面分布を有し、空孔間の連絡通路が制御されている。

Description

【発明の詳細な説明】 制御された多孔度を有する合成骨代替物の製造方法 本発明は特に骨の代わりに使用することを意図したマクロポーラスな合成セラ ミックスの製造方法に関し、このセラミックスは空隙間の相互結合の大きさが制 御されており、更に空隙の多孔度及び断面積も制御されている。 従来技術におけるこの種の製造方法はいくつかの欠点がある。 即ち、これらの方法では製品としての多孔性の構造物の完全な制御が不可能、 特にマクロポアの断面積と形状、セラミック母体におけるマクロポアの分布、更 にマクロポア間の相互結合の断面積の制御が不可能である。 さて、セラミックスの生物学的効果を減じているものは、それを骨の代用品と して用いる際骨組織の再生が、少なくともその部分的再生が不充分ということで ある。 更に、機械的挙動、特に圧縮時における挙動が不均一なため、往々にして構造 物の完全な再現性が保証されない。 製造方法によっては、空隙形成用に堆積した粒子に圧力を加えることにより相 互結合部位の径を制御しようとするものもある。 この種の製造方法では、本来均一で再現が容易であるべき相互結合部位の効果 的な制御が不可能である。 更に、従来の人工セラミック骨の構造不均一性は往々にして不安定な機械的挙 動の原因となった。 機械的抵抗の意義は、構造物を完全には制御できない場合、特に圧縮時には往 々にして低いものである。インプラントにかかる機械的応力を減らしその結果部 品の断面積を減少させ最終的にインプラントを固定する骨の機械的損傷の可能性 を低くする必要がある。 以上の従来技術はWO−A−92 06653、DE−A−44 03509 、DE−A−31 23460及びWO−A−95 32008に開示されてい る。 従って、本発明の目的は上記の従来技術の不都合を解消することである。 本発明の製造方法は次の目的を有する。 1)合成セラミックを骨の代用品として用いた場合にセラミックのマクロポア 間の相互結合部位を、骨の細胞が通過できるように、又生体の中心にまで新しい 骨組織が形成されるように、再現性と連続性を保証しながら制御すること、しか もこの制御は均一に、骨代替物の中心に達するように行う必要がある。 2)セラミックの多孔度と空隙の寸法を制御すること。 3)生体適合性セラミックをカスタムメードに、即ち所定の寸法と形状に作る こと。 この目的を達成するため、本発明は前記した種類の製造方法を改良し、次の各 工程から順に成る方法を提供する。 a)空孔生成要素の集合体を形成する。 b)該空孔生成要素間に制御された融合が確保されるように、該集合体を熱成 形する。 c)該空孔生成要素間の空隙を埋めるように懸濁液で該集合体を含浸する。 d)連絡通路の径が制御されたマクロ多孔度を付与するように、該空孔生成要 素を除去する。 詳しくいうと本発明の方法では、容器に熱膨張率の低い空孔生成有機化合物の 粒子をつめる。該粒子は予め決められた形状を有する。 該粒子同士をわずかに接触させることにより、マクロポア間の相互連絡通路を 達成するため該粒子に対して熱成形処理を行う。 この処理の目的は、該粒子同士を適度に結合させる必要上、有機化合物をその ゴムプラトー部に保持すべく、該化合物のガラス転移点を超える作業温度を得る ためである。 粒子間の適度な結合、ひいてはマクロポア間に将来形成される適度な相互連絡 を達成するには、熱成形処理の際の時間と温度を調節することが必要である。 もし処理時間を短くしたい場合は他の方法を採用できる。例えば、結合速度を 早めるために作業温度を高くする(ただし重合体の分解温度までは高くしない) 、又は更に重合体の母体に(そのガラス転移点を超える温度で)圧力を加える という方法である。 一たん粒子同士が結合すると、この相互結合した粒子から形成される一体構造 物を冷却後引抜き多孔性型に収容する。 次に、セラミックのケースを作るべく粒子間の空隙を水性媒体にリン酸カルシ ウムの粉末を懸濁させる。 型の多孔構造により水を除去した後、得られた製品を型からはずし加熱処理を 施す。この処理の目的は第一工程で有機化合物を除去して空孔を形成し、その後 第二工程でセラミックスの内表面をち密にするためである。 本発明に用いる有機化合物はアクリル樹脂から選ばれ例えばポリメチルメタク リレート(PMMA)、ポリメタクリレート(PMA)、ポリスチレン、ポリエチレ ン及びこれらの類似物である。 更に、本発明の一実施態様において、該粒子は実質的に球形をしている。 本発明において、リン酸カルシウムはヒドロキシアパタイト(HA)、リン酸三 石灰(TCPβ)、これらの類似物又は混合物から選ばれる。 本発明の方法によれば、マクロポア間の相互連絡通路が完全に制御され、空孔 が適度に制御された寸法を持ち、予め決定された数及び表面分布を有するマクロ ポーラスな合成セラミックスが製造できる。 更に詳しく述べると本発明の方法によれば、球状の空孔の径を100μmと8 00μmの間に完全に制御でき、しかも空孔間が相互連絡されている場合、その 通路が空孔径の0.1から0.8倍の大きさの間に入るよう完全に制御されてい る。好ましくは空孔径は40μmと640μmの間に制御される。 更に、処理温度、圧力、時間のようなパラメータを制御することにより、空孔 間の連絡通路の径を制御できる。 粒子間にくびれを形成するために、重合体をそのガラス転移点を超える温度で 粘性流を作るように再分布させることにより、粒子の融合を自在に行うことがで き、最終的に形成される連絡通路の完全な制御が可能となる。 実験規模ではあるが、マクロポア間の連絡通路の径が30μmを超えるセラミ ックスを製造できた。この結果、各分級サイズのビレットを用いて、製品の粒子 間融合、従って最終的な連絡通路の径を正確に調節することができる。なお、前 記の2つのパラメータは互いに区別され、独立に調節することができる。 本発明は更に前記の種類のセラミックスを全ての断面積を持つように製造する ことができる。このセラミックスは軽いものも重いもの(数cm3)もあり、機 械的応力に対してかなりの抵抗を持つ。 更に、本方法によれば、骨代替物として使えるセラミックスで複雑な形状を持 ち多孔度が一定又は零のものを製造することができる。 最後に、本発明のもう一つの側面は、骨代替物としてのセラミックスの利用に 関するものである。 本発明のその他の特徴と利点は、添付図面と写真を参照して以下の記載から明 らかになるだろう。 第1図は重合体粒子の融合を示す電子顕微鏡写真である。 第2図は互いに結合した粒子から形成された一体構造を示す電子顕微鏡写真で ある。 第3図と第4図は500μmの空孔を持ち、連絡通路の径がそれぞれ100μ mと200μmであるセラミックスを示す電子顕微鏡写真である。 第5図は500℃の熱処理に付した後の粒子を示す電子顕微鏡写真である。 第6aないし第6c図は骨代替物としての使用を示す概略斜視図で端部に機械 的補強をしている。 第7a及び第7b図は骨代替物としての使用を示す概略斜視図で筒状の機械的 補強をしている。 第8aないし第8d図は骨代替物として可能な使用を示す概略斜視図で、特に 脛骨切骨手術における使用を示す(第8a図ないし第8c図)。 第9aないし第9c図は第8dの代替物としての光学顕微鏡写真でそれぞれ上 面、側面及び縦断面を示す。 本発明の一実施態様において、マクロポーラスなセラミックスは容器に堆積さ せたポリメチルメタクリレート(PMMA)のようなアクリル樹脂の粒子を出発 物質として製造される。 PMMAの代わりにポリエチレン、ポリメタクリレート又はポリスチレンの粒 子を用いることができる。 これらの物質の共通点は空孔形成特性を有するということである。 一般的には、加熱による劣化を防ぐため熱膨張率の小さい有機物質であれば全 て使用できる。 熱成形に適した熱可塑性樹脂を選ぶ。 更に、具体的な態様においては、加熱処理中の大巾な体積増加を防ぐため、少 なくとも構造の一部が非晶質の、好ましくは全体が非晶質の重合体を用いる。 最後に、空孔生成要素は低温で分解し残留不純物の量は無視できる程度で、し かも分解生成物は非腐食性でなくてはならない。 PMMAは上記の特性をすべて満足する物質である。 以下の説明ではPMMA粒子について述べているが、上記の特性を満足するそ の他の物質はすべて使用できる。 使用するPMMA粒子は実質的に同一、又は異なった寸法のビレット形状を有 する。 後者の場合、小さな断面積のビレットを容器の底にまずつめ、その上にこれよ り大きな断面積のビレットをのせる。この方法により異なった多孔度のセラミッ クスを作ることができる。 別法として、容器に複数のビレットを積層する際に徐々に粒径が増加するよう に堆積することができる。この場合、得られたセラミックの多孔度に傾斜を持た せることができる。 球状のPMMA粒子を使えば、粒子間の接触を厳密にかつ様々に変更でき、形 態的に均一な多孔度を得、又セラミックの最終的な空孔体積を制御することがで きる。 即ち、PMMA粒子は上記したように変形しないか、してもわずかの変形しか おきないという特徴を持つ。 このような理由から、得られた骨代替物中の空孔はもとの粒子と実質的に同一 の径を持つ。 具体的な一実施態様において、PMMAビレットは数ミクロンから約850ミ クロンの粒径分布を有する。 セラミックス中のマクロポアの寸法を制御するためにPMMA粉はあらかじめ 機械的分級に付す。 比較的せまい分級サイズのロットを得るようにPMMA粉を異なったメッシュ サイズのスクリーンに通す。 選択可能な分級サイズの巾は0−100μm、100−200μm、200− 300μm、400−500μm、500−600μm、600−700μm、 又は700−850μmである。 もし必要なら、もっと狭い分級サイズ、例えば190−200μmを選ぶこと ができる。 PMMAビレットのいくつかを中空にして使用することもできる。 使用する粒子の数、形状及び分布は型の形状と目的のセラミックスにより変化 する。 有機物質の粒子を収容する容器は、当該物質の少なくとも熱分解温度に耐える 必要がある。 アクリル樹脂特にPMMAを使用する本例の場合、この温度は約200℃であ る。 容器は金属製、セラミック製又は樹脂製のいずれでもよい。 第二工程において、PMMA粒子間の融合を行うためにこれを熱成形処理に付 す。 実際、PMMAのような非晶質重合体はそのガラス転移点を超える温度におい てゴム状の、稠密度を示す。 PMMAのガラス転移点は約110℃である。 ガラス転移点を超える温度では、重合体はガラス状態に近いゴム状稠密度を得 るためにその巨大分子に修正を加えられる。この結果重合体の成型が容易になる 。 可塑状態では、粒子同士が接触すると拡散機構により、各々の粒子を構成する 巨大分子の少なくとも一部が、接触点の近傍で互いに混じりあう。 所望の状態が得られたら周囲温度に戻すことによりそれを固定する。 即ち、得られた物質の粘度は温度が下がると次第に増加する。 熱成形方法は一般的に当該粒子を全体的に又はその表面を、有機物質のガラス 転移点を超える温度で均一に加熱することにより行われる。 PMMAの熱成形処理は次の各工程から成る: 1)空の容器をPMMAのガラス転移点より高い温度で、特に約110℃を超 す条件で、予備加熱する; 2)該容器にPMMAのビレットを装入する; 3)冷却終了までビレットを成形し結合する; 4)周囲温度まで冷却する。 別の実施態様では、ビレットを装入後に容器を加熱する。 空孔生成要素の熱成形は再現性を持ち、大表面積(数10平方センチ)かつ大 容積(数10立方センチ)の集合体に等しく適用できる。 連絡通路の径を制御する方法の効率は本質的に拡散により支配され、結合の良 し悪しは温度、時間及び粒子間の接触の度合に依存する。 重合体の成形に最適な温度を決定する方法としては、例えば様々な処理温度に 予め加熱した金属容器にPMMAビレットを装入すればよい。 このような温度はガラス転移点より高く各々120℃、150℃、180℃及 び200℃に等しい。 この実験によれば、ビレット間の結合の進行を熱成形時間の関数として観察す ることができる。この分析は走査電顕により行うことができる。 この実験はまず分級サイズが500−600μmのPMMAビレットを用いて 行う。毎回、一定重さ(5グラム)のビレットを26ミリ径の円筒形の容器に装 入する。 処理温度が120℃に等しく、加熱時間が20hを超えた場合、ビレット同士 の凝集は全然みられない。この温度は採用した時間内に重合体ビレット間に拡散 及び十分な結合を生じさせるには不十分なように思われる。 この粒子間の凝集は150℃で観察される(第5図を参照:そこでは500− 600μmの径を有する粒子に対して150℃、16時間の処理を行っている) 。 従ってPMMA粒子間に正確に結合を作るには長時間の処理が必要である。1 6時間処理した試料を走査電顕で分析すると結合の存在を観察でき、従って熱成 形作業の効率を評価できる。 この結合の存在は生体セラミックスのマクロポア間に将来形成される連絡通路 に対応する。本例の場合、この結合の存在はあまり目立たず、その径は100μ mと推定される。 実験温度を180℃にした場合、処理時間が短くてもビレット間に十分な結合 を生じさせることができる。 熱成形したPMMA粒子を使えば、ビレット間にいくつかの空隙を有する一体 構造を形成することも可能である(第1図及び第2図を参照)。 その後この構造物を容器から除去し多孔性の型につめる。 本実施態様ではこの多孔性の型は石こうでできている。 セラミック製、金属製、樹脂製又はこれらの類似物からできた型を用いてもよ い。 その後、ビレット間の空隙を再び埋める。これは水性媒体中におけるリン酸カ ルシウムの濃厚塩基性懸濁液を用いてビレットを含浸すればよい。 この懸濁液、即ちペーストはヒドロキシアパタイト(HA)又はリン酸三石灰 (TCPβ)から成る。両者の均一混合物でもよい。 懸濁液は粉末と水とでできており、石こうの多孔性に由来する毛管降下により 少しずつ一体構造の周りで乾燥していく。 かくしてセラミックスと重合体ビレットの二相混合物である粗生成物が得られ る。 本発明の具体的な一実施態様において、多孔性の型はその内部に十分な量のペ ーストを収容できる容器である。 この容器を使えば、すべての空隙がペーストで埋まるように一体構造物を連続 的に該ペーストが乾くまで含浸させることができる。この容器はペーストを流し ながら使うことができる。 懸濁液を流す際、最適脱塊を達成するために解凝工程を行う。 ヒドロキシアパタイトのようなリン酸カルシウムの懸濁液の解凝化はカルボキ シレートタイプのポリ電解質、即ちアンモニウムポリアクリレート(PaA)を 用いて達成することができる。 所定の条件(PaAを0.6%、pH11)から出発して、HA濃度を82% 、84%、86%と増加させて様々な懸濁液を試験した。 上記のペーストの粘度を次に100s-1の速度で測定した。 その結果、乾燥HA濃度82%の懸濁液は比較的低い粘度を有し、PMMA球 状粒子中に存在する空隙をすべて埋めることができた。 即ち、乾燥物質濃度の低い懸濁液は特に粘度を下げ、重合体構造への含浸を容 易にするのに適している。 得られた粗生成物は次に型からはずす。 次に多孔性を付与するために、粗生成物を低温で、しかし使用する有機物質の 熱分解温度(本例の場合約200℃)より高い温度で熱処理に付す。 本実施態様の場合、処理温度は約300℃よりも低い。 この熱処理により有機物はすべて燃えてなくなり、かくしてビレットが除去さ れその跡に空隙が生成する。 最後に、生成物の凝集力と剛性を増加させるために、これを1,100℃と1 ,300℃の間の温度で焼結熱処理に付す。 制御された連絡通路を有するマクロポーラスなセラミックスが得られ、これは 骨の代わりに用いることができる。 第3図と第4図をみれば連絡通路の径が制御され増大しているのがよくわかる (小さな黒点で空隙を示す)。そして多孔度は500μmである。 尚、石こう製の型は単純な形、複雑な形いずれの形も様々にとりうる。 同様に、この型は単純な形の組合わせで実質的に平行四辺形又は円柱形の形状 をとりうる。 更に、様々な内表面形状の型の内部を調節して、複雑な形状のセラミックスを 得るようにしてもよい。 従って、石こう型の形状により最終的なセラミックスの形状が決まる。 第6a図から第9c図は得られたセラミックス、従って多孔性型の複雑な形状 の例を示す。 ち密な部分を設けて骨代替物の特定のゾーンを機械的に補強することができる 。 重合体の母体はち密な部分を設けたい部位ではビレットを構成しない。 第6a図ないし第6c図では、骨代替物の端部に最もち密な部分Dが位置する 。骨代替物は平行四辺形(第6a図及び第6b図)か又は円筒形(第6c図)で ある。 ち密な部分をマクロポーラスな部分の間に挿入することもできる(図示せず) 。 更に第7a図及び第7b図は円筒形をした骨代替物の例を示しこれはち密な部 分D、マクロポーラスな部分M、それに中空部分Cから構成される。 第7a図では、ち密な部分Dが中空部分Cとマクロポーラスな部分Mの間に挿 入されており、一方第7b図ではち密な部分が骨代替物の周りに位置している。 最後に、第8a図ないし第8c図は骨代替物が複雑な形状、即ち「くさび」形 をしている場合を示す。ここではち密な部分又はマイクロポアがDで示され、マ イクロポーラスな部分がMで示される。 上記の実施態様において、部分Mは部分Dにインターカーレートされている。 このような骨代替物は例えば脛骨切骨手術に利用することができる。 第8d図は第9a図ないし第9c図と同様に、概ね円錐台形をした骨代替物を 示しており、これは概ね円筒形をしたち密な部分Dを内部に、実質的に円錐台形 をした多孔性部分を外部に配置して成るものである。 ち密な部分Dは例えば小さな断面積の粒子を利用して低い多孔度を付与するこ とにより得られる。 骨代替物の抵抗、従ってその密度は、より多くのペーストを含浸できるように 粒子間の空隙を増やすか、又は特定のゾーン中の粒子を減らし当該ゾーンをペー ストで再び埋めるかのいずれの方法でも、効果的に増大させることができる。 当然のことながら、本発明はこれまで述べてきた実施態様にのみ限定されるも のではない。 これ以外の形状を有するセラミックス、従って多孔性の型、又は他の形状の粒 子も使用可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,LS,M W,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY ,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM ,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY, CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,E S,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU,IL ,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,Z W (72)発明者 アルドゥイン,ピエール フランス共和国エフ―62520 ル・トゥー ケ,アレ・デ・フォーヴェーット (72)発明者 デスカン,ミシェル フランス共和国エフ―59135 ワレ,リュ ー・アンリ・デュレ 45テール (72)発明者 ガリュール,アンパロ フランス共和国エフ―59135 ワレ,リュ ー・アンリ・デュレ 50

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.多孔度、空孔の断面積及び連絡通路の寸法が制御された骨代替物としての使 用が意図されたマクロポーラスな合成セラミックスの製造方法において、以下の 各工程から順に成ることを特徴とする製造方法: 1)空孔生成要素の集合体を形成する; 2)該空孔生成要素間に制御された融合が確されるように該集合体を熱成形す る; 3)該空孔生成要素間の空隙を埋めるように懸濁液で該集合体を含浸する; 4)連絡通路の径が制御されたマクロ多孔度を付与するように該空孔生成要素 を除去する。 2.更に以下の各工程を順に含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の製 造方法: a)容器中に、予め決められた形状を有する空孔生成有機物質の粒子をつめる ; b)該粒子同士を融合させるため、該有機物質のガラス転移点より高い温度で 該粒子に対して熱成形処理を行う; c)熱成形された粒子を容器から除去するか、又はこの粒子を多孔性の型につ める; d)リン酸カルシウム又はその類似物の水性媒体中における塩基性懸濁液を該 粒子中に流通させ、該粒子間の空隙をその懸濁液で再び満たす; e)多孔性型に余分な水分が吸収されたら、得られた製品を型からはずす; f)有機物を全て燃やし製品に所望の多孔度を付与するために加熱処理を行う ; g)該製品を焼結し団結させるのに十分な温度で加熱する。 3.工程b)で行う熱成形は空孔生成要素を、全体的に又その表面を、有機物質 のガラス転移点より高い温度で均一に加熱することから成る請求の範囲第1項に 記載の製造方法。 4.工程b)で行う熱成形は次の各工程から成ることを特徴とする請求の範囲第 2項又は第3項に記載の製造方法: i)空の容器を有機物質のガラス転移点より高い温度で予備加熱する; ii)該容器に有機物質の粒子を装入する; iii)冷却終了まで該粒子を成形し結合する; iv)周囲温度まで冷却する。 5.該有機物質は熱成形に適した熱可塑性重合体であることを特徴とする請求の 範囲第2項から第4項のいずれかに記載の製造方法。 6.該有機物質は少なくとも構造の一部が非晶質、好ましくは非晶質であること を特徴とする請求の範囲第5項に記載の製造方法。 7.該有機物質はポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリメタクリレート( PMA)、ポリスチレン、ポリエチレン及びこれらの類似物から選ばれたもので あることを特徴とする請求の範囲第2項から第6項のいずれかに記載の製造方法 。 8.工程a)は実質的に球形をした粒子を用いて行うことを特徴とする請求の範 囲第2項から第7項のいずれかに記載の製造方法。 9.リン酸カルシウムはヒドロキシンアパタイト(HA)、リン酸三石灰(TCP β)、これらの類似物又は混合物であることを特徴とする請求の範囲第2項から 第7項のいずれかに記載の製造方法。 10.工程f)の熱処理は有機物質の熱分解温度に等しいかこれより高い温度で 行うことを特徴とする請求の範囲第2項から第9項のいずれかに記載の製造方法 。 11.工程g)の熱処理は約1,000℃ないし1,300℃の温度で行うこと を特徴とする請求の範囲第2項から第10項のいずれかに記載の製造方法。 12.該容器が金属製、セラミック製、樹脂製又はその他の全ての物質であって 使用する有機物質の少なくとも熱分解温度に耐えるものからできていることを特 徴とする請求の範囲第2項から第11項のいずれかに記載の製造方法。 13.該多孔性の型は目的のセラミックスの形状に対応し、予め決められた特定 の形状を有することを特徴とする請求の範囲第2項から第12項のいずれかに記 載の製造方法。 14.該多孔性の型は石こう、セラミックス、金属又は樹脂製の型から選ばれる ことを特徴とする請求の範囲第2項から第13項のいずれかに記載の製造方法。 15.請求の範囲第1項から第14項のいずれかに記載の方法により製造したマ クロポーラスな合成セラミックス。 16.寸法が制御された空孔から成り、該空孔は予め決められた数及び表面分布 を有するので、空孔間の連絡通路が制御されていることを特徴とする請求の範囲 第15項に記載のマクロポーラスな合成セラミックス。 17.空孔の径が100−800μmの範囲にあり、連絡通路の径が40−64 0μmの範囲にあることを特徴とする請求の範囲16項又は17項に記載の合成 セラミックス。 18.傾斜した多孔度を持つ構造を有し、ち密な部分から成るか、全くち密な部 分を有しないことを特徴とする請求の範囲第16項又は第17項に記載の合成セ ラミックス。 19.骨代替物であることを特徴とする請求の範囲第15項から第18項のいず れかに記載した合成セラミックス。 20.請求の範囲第15項から第19項のいずれかに記載した合成セラミックス の骨代替物としての利用。
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