JP4813801B2 - ガラスセラミック並びにその製造及び使用 - Google Patents

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Description

本発明は、ガラスセラミック、本ガラスセラミックの製造方法及び歯科目的でのその使用に関する。
知られているように、ガラスセラミックは、ガラス相及び結晶領域の双方が存在する固体である。そのようなガラスセラミックの微細構造では、結晶相を形成する結晶は1以上のガラス相に埋め込まれている(ガラスマトリクス)。
1960年代初頭以来、ガラスセラミックは、歯科目的で、特に、通常金属の骨組みを被覆/上塗りする上塗りセラミックとして使用されてきた。歴史的な従来技術については、Weinsteinによる2つの特許文献1及び特許文献2を参照してもよい。これらの出願では、約20x10-6/Kの高い熱膨張係数(CTE、25℃〜500℃)を有する結晶相としての(正方晶系の)白榴石を、たとえば、約8x10-6/Kの低いCTEを有するガラス相と組み合わせている。これら成分の混合比を選択することにより、このように設定されるべきガラスセラミックの熱膨張係数を変えることができる。
歯科目的の使用は、特にその機械的応力性という点でガラスセラミックに特別の要求を突きつける。従って、結晶相(第2相)を形成する白榴石は、割れに対する潜在的な弱点又は材料における所定の破断点さえも示す。それゆえ、特にガラス相における及び結晶相内での割れの形成は回避すべきである。あらかじめ実現された微細構造を有し、且つガラス相及び白榴石を含むガラスセラミックは、一般にこれを達成しない。
第1に、この種のガラスセラミックには60μmまでのサイズを有する白榴石結晶が使用される。個々の成分のCTE値の大きな差異のために、及び比較的大きな白榴石結晶のために、そのようなガラスセラミックは、ガラス相及び結晶相(白榴石相)の双方に割れを有することが多い。これらのガラスセラミックにおける白榴石相は、ガラス相/ガラスマトリクスに不均質に分布する。
ガラスセラミックの別の群では、さらに小さい白榴石結晶が使用される。特許文献3では、白榴石相だけでなく、さらなる結晶相としてフルオロアパタイト相も含み、存在する白榴石結晶が5μm未満の平均粒度を有することが求められるガラスセラミックが記載されている。また、特許文献4では、特定の化学組成を有し、その粒度が10μmを超えない白榴石結晶を含有するガラスセラミックが記載されている。
相対的に小型の白榴石結晶を有するガラスセラミックは、1μmまでのサイズを有する割れを形成する(ガラス相及び白榴石相の双方で)強い傾向を呈する。さらに、これらセラミックの多くの白榴石結晶は、複数の焼成の場合、制御されない結晶成長を受ける傾向があり、またもや結果として応力及び割れを生じる。
米国特許第3,052,982号 米国特許第3,052,983号 EP0690030 米国特許第5,653,791号
従って、本発明の目的は、従来技術のガラスセラミックにおける示された短所を回避することである。従って、ガラスセラミックにおける割れ形成を大きく抑制すべきであり、できれば完全に回避さえすべきである。微細構造を実質的に最適化した結果、相当するガラスセラミックは、歯科領域での使用に特に好適であるべきである。
本目的は、請求項1の特徴を有するガラスセラミック及び請求項21の特徴を有する方法によって達成される。本ガラスセラミック及び本方法の好ましい実施態様は、それぞれ、従属請求項2〜20及び22〜24に記載されている。請求項25〜27は、特許請求の範囲に記載されるガラスセラミックの新規の使用及び相当する交換歯を定義する。全請求項の文言は参照により本明細書に組み入れられる。
本発明のガラスセラミックは、連続したガラス相及び正方晶系の白榴石を含む結晶相を有する。ガラス相には割れがなく(顕微鏡検査に基づく現在の理解に従って)、結晶相は、本質的に均質に本ガラス相に分布する。本発明に係る、結晶相における白榴石結晶は、特定の粒度分布、すなわち、約5%〜約70%の1μm未満の粒度を有する白榴石結晶及び約30%〜約95%の1μm以上の粒度を有する結晶を有する。
従来技術とは対照的に、1μm未満の粒度を有し、その結果、ナノメータサイズの範囲にある白榴石結晶が、本発明に係るガラスセラミックに存在する。従って、特許請求の範囲に記載されるガラスセラミックの微細構造は、「ナノ白榴石構造」とも呼ばれる。存在する白榴石結晶はすべて、割れのないガラス相/ガラスマトリクスの中に本質的に均質に分布する。本発明の目的で、表現「本質的に均質な分布」は、顕微鏡/電子顕微鏡下で調べたとき、平均でほぼ同数の白榴石結晶がガラス相の同等の大きさの領域に存在することを意味する。
ガラスセラミックにおけるLi2Oの比率が好ましくは0.5重量%未満であることが強調されるべきである。特に、この比率は0.4重量%未満であり、さらに好ましくは、0重量%〜0.3重量%の範囲内である。
完全性の理由で、白榴石が化学式K[Ali26]を有し、本発明に従って正方晶系の構造で使用されることを言及してもよい。
原則として、使用されるガラス/ガラスマトリクスに関して本発明は拘束されない。本発明に従って、特に好ましくは、ケイ酸塩ガラス、特に、感知できる比率のアルカリ金属イオンを有するガラス、すなわち、アルカリ金属ケイ酸塩ガラスを使用することである。
さらなる実施態様において、本発明のガラスセラミックは、好ましくは、以下の成分、58重量%〜75重量%のSiO2、8重量%〜15重量%のAl23、7重量%〜15重量%のK2O、2重量%〜12重量%のNa2O、好ましくは2重量%〜7重量%のNa2O又は9重量%〜12重量%のNa2O、0重量%〜0.4重量%のLi2O、0重量%〜1重量%のSb23、0重量%〜2重量%のCaO、0重量%〜2重量%のF、0重量%〜2重量%のB23、0重量%〜1重量%のCeO2、0重量%〜0.5重量%のP25、0重量%〜2重量%のMgO、0重量%〜2重量%のBaOを含む。
上記及び下記の量はすべて、ガラスセラミック全体を基にした重量%の値である。
本発明によれば、0.1重量%以上のSb23を含有するガラスセラミックが好ましい。さらに好ましくは、0.1重量%〜0.5重量%のSb23含量である。
同様に、好ましく、0.1重量%以上のBaO、好ましくは0.1重量%〜0.5重量%のBaOを含有するガラスセラミックである。
本発明のガラスセラミックのそのほかの好ましい実施態様では、ガラスセラミックは、0重量%〜1.5重量%のCaO、特に0.1重量%〜1重量%のCaOを含有する。
同様に、好ましく、0重量%〜1重量%の、特に0.1重量%〜0.4重量%のFの比率を有するガラスセラミックである。
前述の成分から離れて、所望であれば、ガラスセラミックにさらなる物質が存在することが可能である。従って、好ましく、1.0重量%までのSnO2、1.0重量%までのTiO2及び/又は1.0重量%までのZrO2を含有するガラスセラミックである。
特許請求の範囲に記載され、本明細書に記載されている新規のガラスセラミックすべての中で、さらに好ましくは、それらが歯科目的に特に有用なので、特定の組成を有するものである。
従って、本発明によれば、成分、60重量%〜70重量%のSiO2、10重量%〜15重量%のAl23、10重量%〜15重量%のK2O、2重量%〜7重量%のNa2O、0重量%〜0.3重量%のLi2O、0.1重量%〜0.5重量%のSb23、0.1重量%〜0.5重量%のBaO、0.5重量%〜1.0重量%のCaO、0.1重量%〜0.4重量%のFを含むガラスセラミックが特に好ましい。
これらの中で、好しくは、今度は、以下の成分、63重量%〜67重量%のSiO2、12重量%〜15重量%のAl23、10重量%〜14重量%のK2O、2重量%〜6.5重量%のNa2O、0.1重量%〜0.2重量%のLi2O、0.1重量%〜0.3重量%のSb23、0.1重量%〜0.3重量%のBaO、0.6重量%〜1.0重量%のCaO、0.1重量%〜0.3重量%のFを含むガラスセラミックである。
さらに、本発明によれば、以下の成分、58重量%〜65重量%のSiO2、12重量%〜15重量%のAl23、8重量%〜12重量%のK2O、9重量%〜12重量%のNa2O、0重量%〜0.3重量%のLi2O、0.1重量%〜0.3重量%のCaO、0重量%〜0.2重量%のBaO、0.4重量%〜1.2重量%のB23、0重量%〜1.0重量%のSnO2、0.1重量%〜0.5重量%のF、0.2重量%〜1.0重量%のCeO2を含むガラスセラミックが好ましい。
本発明のガラスセラミックの実施態様すべてにおいて、さらなる添加剤、好ましくは着色料、特に顔料が好ましくは少量、ガラスセラミックに添加されることが可能である。そのような顔料の添加は、以下で扱うように、たとえば、上塗りセラミックの種々の色合いを達成するために、歯科領域におけるガラスセラミックの使用に特にふさわしい。
本発明の目的で「第1群」の結晶とも呼ばれる1μm未満の粒度を有する白榴石結晶は、存在する白榴石結晶全体を基にして好ましくは約5%〜約50%の量で特許請求の範囲に記載されるガラスセラミック中に存在する。この範囲内で、約5%〜約35%、特に約5%〜約20%で存在する第1群の白榴石結晶が好ましい。
本発明のガラスセラミックのさらに好ましい実施態様では、第1群の白榴石結晶は、0.5μm未満、特に0.3μm未満の粒度を有する。
本発明に係る、1μm以上の粒度を有する白榴石結晶は、本発明の目的で、「第2群」の結晶と呼ぶ。第2群の白榴石結晶の好ましい比率は、第1群の白榴石結晶の好ましい比率について上記で与えられた値に相当する。本発明に従って、第2群の白榴石結晶は好ましくは、1μm〜10μmの範囲内の粒度を有し、1μm〜7μmの粒度は、この範囲内でさらに好ましい。
さらなる実施態様において、第2群の白榴石結晶は、50%を超える、1μm〜7μmの粒度を有する白榴石結晶、及び50%未満の、7μmを超える粒度を有する白榴石結晶を含む。さらに、7μmを超える粒度を有する第2群の白榴石結晶が比較的小さな比率しかないことが好ましい。従って、好ましくは80%を超える、特に90%を超える第2群の白榴石結晶が1μm〜7μmの範囲内の粒度を有し、その結果、20%未満、特に10%未満が7μmを超える粒度を有する。
上記で述べたことに従って、本発明に係る特に好ましいガラスセラミックは従って、結晶相において白榴石結晶の特定の粒度分布を有する。すなわち、
約5%〜約50%の白榴石結晶が1μm未満の粒度を有し(第1群の白榴石結晶)、
約1%までの、好ましくは約0.5%までの白榴石結晶が7μmを超える粒度を有し(第2群の白榴石結晶の第1の部分)、及び、
100%までの残りに存在するすべての白榴石結晶が1μm〜7μmの範囲内での粒度を有する(第2群の白榴石結晶の第2の部分)。
本発明の特定の実施態様では、特許請求の範囲に記載されるガラスセラミックのガラス相だけでなく、結晶相(白榴石相)にも本質的に割れがない。
本発明のガラスセラミックは好ましくは、11〜16.5x10-6/Kの熱膨張係数(CTE、25℃〜500℃)及び700℃〜950℃の好ましい焼成(firing)温度を有する。
特許請求の範囲に記載されるガラスセラミックを製造するための本発明の方法は、ガラス相/ガラスマトリクスを形成するガラス粒子、たとえば、2μm〜20μmのd50値を有する粒子を、適当な粒度分布を有する白榴石結晶と互いに混合することを含む。このように得られた混合物は、次いで700℃〜1100℃の範囲内の温度での熱処理に供される。この温度の範囲内で、850℃〜1050℃の範囲内の温度が熱処理に好ましい。
記載される熱処理の所要時間は、本質的に自由に選択することができる。しかしながら、熱処理は、10分間〜2時間、好ましくは30分間〜1.5時間の範囲の間にわたって好ましくは行なわれる。多くの場合、さらに好ましくは、約1時間の間行なわれる熱処理である。
本発明の方法で使用することができるような白榴石は市販されている。しかしながら、上記の化学式に従って、化学量論的に秤量し、融解することもできる。
本発明に係る特に好ましい方法は、以下の、
白榴石の成分、好ましくは、酸化カリウム(K2O)、酸化アルミニウム(Al23)及び二酸化珪素(SiO2)の化学量論的な量を秤量すること、
得られた化学量論的混合物を1400℃〜1600℃の温度で融解すること、
融合生成物を好ましくは約1000℃の温度で1時間熱処理すること、
好ましくは少なくとも1回の製粉工程によって、所望の粒度分布に、熱処理生成物を粉砕すること、
のような白榴石結晶の調製を含む。
当然、白榴石結晶の適当な分画を混合することによっても、所望の粒度分布を得ることができる。
すでに言及したように、手始めに示した従来技術の短所は、本発明のガラスセラミックによって、及び本発明の方法によって回避することができる。均質で微細に分散された結晶相/白榴石相を含む新しく定義された微細構造の結果、ガラスセラミックにおける割れ形成は最少限に抑えられる。ガラス相にはどんなときも割れは生じず、もしあるとすれば、極端に単離された割れが白榴石相に生じるにすぎない。この微細構造のおかげで、本発明のガラスセラミックは、極めて良好な材料特性を有し、それは材料の滑らかな表面及び極めて良好な研磨性に反映されている。
この点で、ガラスセラミックにおける好ましく小さな比率のLi2Oをもう一度強調すべきである。驚くべきことに、複数の焼成で頻繁に生じる白榴石結晶の制御されない成長は、0.5重量%未満のLi2O含量で大きく低減することが見い出された。制御されない成長は結果としてセラミックに応力を生じ、それが今度は、ガラスマトリクス及び結晶自体の双方に割れを生じる。低いLi2O含量で、マトリクスにおける結晶は安定なままである。
これらの特性すべてが、本発明のセラミックを歯科領域での使用に特に好適にしている。従って、本発明は、歯科目的で、特に歯科材料としての、特許請求の範囲に記載されているガラスセラミックの使用も提供する。特許請求の範囲に記載されているガラスセラミックの特に好ましい使用は、交換歯、特に金属セラミック製の交換歯の上塗りである。これらは、知られているように、金属又は金属合金を含む基礎枠組み/基体が適当なガラスセラミック(歯科用セラミック)で被覆される又は上塗りされるシステムである。ガラスセラミックのCTE値(25℃〜500℃)は一般に枠組み材料のCTE値よりも0.5〜2単位低い。当然、たとえば、インレー(inlays)材、上張り材及び化粧張り材に、特許請求の範囲に記載されているガラスセラミックを使用することもできる。
最終的に、本発明は、その製造後、本発明に係るガラスセラミックを含む交換歯自体を包含する(請求項27)。これは、特に、金属セラミックの交換歯であり、すなわち一般に、特許請求の範囲に記載されているガラスセラミックで被覆された及び/又は上塗りされた金属又は金属合金を含む基体又は枠組みである。
本発明のさらなる特徴は、従属するクレームと組み合わせた以下の実施例に由来することができる。ここで、提示される特徴及び特性は、単独で又はその複数を組み合わせてのいずれかで実現することができる。
実施例1
白榴石結晶を調製するために、化学式K[AlSi26]に相当する化学量論的な量でK2O、Al23及びSiO2(水晶)を秤量し、得られた混合物を1500℃にて融解する。続いて、冷却した融液を1000℃にて60分間の熱処理に供する。得られた熱処理された生成物を次いで、以下の、
約20%の、ナノメータ範囲、すなわち、1μm未満の白榴石結晶(第1群の白榴石結晶)、
約79%の1μm〜7μmの小さいμm範囲における白榴石結晶(第2群の白榴石結晶の大きい部分)、及び、
残り、約1%の、7μmを超える粒度を有する白榴石結晶(第2群の白榴石結晶の小さい部分)、
の粒度分布が得られるまでミルで製粉する。
製粉後、微細に製粉された白榴石結晶を、所望の混合比でガラス粒子(ガラスマトリクス)と混合する。使用されるケイ酸塩ガラス(アルカリ金属ケイ酸塩ガラス)は、以下の成分を約1500℃で融解することによって製造される。
SiO2:65.9重量%
Al23:14.3重量%
2O:10.5重量%
Na2O:8.2重量%
Li2O:0.5重量%
CaO:0.1重量%
23:0.5重量%
続いて、混合された成分(白榴石結晶、ガラスマトリクス)を約1000℃で60分間の熱処理に供する。たとえば、1:1のガラス:白榴石の混合比率は、結果として、900℃の焼成温度及び14x10-6/KのCTE(25℃〜500℃)を有する本発明に係るガラスセラミックを生じる。顕微鏡/電子顕微鏡下での検査は、白榴石結晶(白榴石相)がガラス相に均質に分布する割れのない微細構造を示す。ガラスセラミックは特に、歯科目的で上塗りセラミックとして好適である。それは、たとえば、適当な範囲にCTEを有する金含量の高い合金のような金属の枠組みと優れた相性を示し、たとえば、研磨することによって患者の口中で容易に細工されうる。
実施例2
実施例1と本質的に同様に、以下の、
約7%の、ナノメータ範囲、すなわち、1μm未満の白榴石結晶(第1群の白榴石結晶)、
約92%の1μm〜7μmの小さいμm範囲における白榴石結晶(第2群の白榴石結晶の大きい部分)、及び
残り、約1%の、7μmを超える粒度を有する白榴石結晶(第2群の白榴石結晶の小さい部分)、
の粒度分布を有する白榴石結晶を異なった製粉条件のもとで調製する。
白榴石結晶を、実施例1に記載したガラス粒子と所望の混合比で混合し、同様に熱処理する。これによって同様に、約900℃の焼成温度及び14x10-6/KのCTE(25℃〜500℃)を有する本発明に係るガラスセラミック(混合比=1:1)が得られる。顕微鏡/電子顕微鏡下での検査は、白榴石結晶(白榴石相)がガラス相に均質に分布する割れのない微細構造を示す。ガラスセラミックは特に、歯科目的で上塗りセラミックとして好適である。それは、たとえば、適当な範囲にCTEを有する金含量の高い合金のような金属の枠組みと優れた相性を示し、たとえば、研磨することによって患者の口中で容易に細工されうる。
実施例3
約1500℃にて以下の成分を融解することによって、アルカリ金属ケイ酸塩ガラスを製造する。
SiO2:77.8重量%
Al23:4.0重量%
2O:3.8重量%
Na2O:11.4重量%
Li2O:0.2重量%
Sb23:0.4重量%
BaO:0.4重量%
CaO:1.6重量%
F:0.4重量%
このように調製したアルカリ金属ケイ酸塩ガラスを製粉して微粒子を得る。その後、それを用いて、
50重量%の上記組成を有するガラス粒子、
48.5重量%の、実施例1で記載されたように調製し、微細に製粉した白榴石結晶、及び、
1.5重量%の顔料から成る混合物を調製する。
実施例1と類似の方式にて、この混合物を約1000℃で60分間の熱処理に供する。これによって、約900℃の焼成温度及び約13x10-6/KのCTE(25℃〜500℃)を有する本発明に係るガラスセラミックが得られる。
ガラスセラミックは特に、歯科目的で上塗りセラミックとして好適である。それは、たとえば、13.8x10-6/K〜15.1x10-6/Kの範囲にCTEを有する金含量の高い合金のような金属の枠組みと優れた相性を示し、たとえば、研磨することによって患者の口中で容易に細工されうる。
このように製造されるガラスセラミックの全体的な組成をX線蛍光解析によって測定した。主な構成成分は以下のとおりである
65.6重量%のSiO2
13.4重量%のAl23
12.4重量%のK2
5.7重量%のNa2
0.1重量%のLi2
0.2重量%のSb23
0.2重量%のBaO
0.8重量%のCaO
0.2重量%のF

Claims (23)

  1. 連続ガラス相、及び正方晶系の白榴石からなる結晶相を含み、組成におけるLi2Oの比率が0.5重量%未満であり、
    ガラス相に割れがなく、白榴石結晶からなる結晶相が、ガラス相中に本質的に均質に分布し、以下の粒度分布、
    前記白榴石結晶の5%〜50%が1μm未満の粒度を有し(第1群の白榴石結晶)
    前記白榴石結晶の1%以下が、7μmを超える粒度を有し(第2群の白榴石結晶の第1の部分)、及び、
    前記白榴石結晶の100%までの残りを占めるのが、1μm〜7μmの粒度を有する(第2群の白榴石結晶の第2の部分)、
    ガラスセラミック。
  2. 以下の成分、
    58重量%〜75重量%のSiO2、8重量%〜15重量%のAl23、7重量%〜15重量%のK2O、2重量%〜12重量%のNa2O、0重量%〜0.4重量%のLi2O、0重量%〜1重量%のSb23、0重量%〜2重量%のCaO、0重量%〜2重量%のF、0重量%〜2重量%のB23、0重量%〜1重量%のCeO2、0重量%〜0.5重量%のP25、0重量%〜2重量%のMgO、0重量%〜2重量%のBaO、
    を含む請求項1に記載のガラスセラミック。
  3. 2重量%〜7重量%のNa2Oを含む請求項2に記載のガラスセラミック。
  4. 0.1重量%以上のSb23を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  5. 0.1重量%以上のBaOを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  6. 0重量%〜1.5重量%のCaOを含む請求項1〜5のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  7. 0重量%〜1重量%のFを含む請求項1〜6のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  8. 1.0重量%以下のSnO2を含む請求項1〜7のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  9. 1.0重量%以下のTiO2を含む請求項1〜8のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  10. 1.0重量%以下のZrO2を含む請求項1〜9のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  11. 以下の成分、
    60重量%〜70重量%のSiO2、10重量%〜15重量%のAl23、10重量%〜15重量%のK2O、2重量%〜7重量%のNa2O、0重量%〜0.3重量%のLi2O、0.1重量%〜0.5重量%のSb23、0.1重量%〜0.5重量%のBaO、0.5重量%〜1.0重量%のCaO、0.1重量%〜0.4重量%のF、
    を含む請求項1〜10のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  12. 以下の成分、
    63重量%〜67重量%のSiO2、12重量%〜15重量%のAl23、10重量%〜14重量%のK2O、2重量%〜6.5重量%のNa2O、0.1重量%〜0.2重量%のLi2O、0.1重量%〜0.3重量%のSb23、0.1重量%〜0.3重量%のBaO、0.6重量%〜1.0重量%のCaO、0.1重量%〜0.3重量%のF、
    を含む請求項1〜11のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  13. 5%〜35%の第1群の結晶が存在する請求項1〜12のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  14. 第1群の結晶が0.5μm未満の粒度を有する請求項1〜13のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  15. 第2群の結晶が、1μm〜10μmの粒度を有する請求項1〜14のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  16. 11〜16.5x10-6/Kの熱膨張係数(CTE、25℃〜500℃)及び700℃〜950℃の焼成温度を有する請求項1〜15のいずれか1項に記載のガラスセラミック。
  17. 適当な粒度分布を有する白榴石結晶をガラス粒子と互いに混合すること、及び得られた混合物を、700℃〜1100℃の範囲内の温度にて熱処理に供することを含む、請求項1〜16のいずれか1項に記載のガラスセラミックの製造方法。
  18. 熱処理が、850℃〜1050℃の範囲内の温度で行なわれる請求項17に記載の方法。
  19. 熱処理が、10分間〜2時間行なわれる請求項17又は18に記載の方法。
  20. 白榴石結晶が、以下の、
    化学量論的量の白榴石用の成分であるK2O、Al23及びSiO2を秤量すること、
    得られた混合物を1400℃〜1600℃の温度にて融解すること、
    1000℃の温度にて1時間、得られた生成物を熱処理すること、及び、
    少なくとも1回の製粉工程によって熱処理した生成物を所望の粒度分布に粉砕すること、
    のように調製される請求項17〜19のいずれか1項に記載の方法。
  21. 歯科目的の請求項1〜16のいずれか1項に記載のガラスセラミックの使用。
  22. 交換歯に上塗りするための請求項21に記載の使用。
  23. 請求項1〜16のいずれか1項に記載のガラスセラミックを含む交換歯。
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