JP6685564B2 - 高分子化合物およびこれを用いた細胞操作方法 - Google Patents
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- C09D133/00—Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Coating compositions based on derivatives of such polymers
- C09D133/24—Homopolymers or copolymers of amides or imides
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- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
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Description
1H-NMR (CDCl3): 8.02 (1H, d, J = 8.8 Hz), 7.57 (1H, d, J = 2.6 Hz), 7.29 (1H, dd, J = 8.8, 2.6 Hz), 6.54 (1H, s), 6.39 (1H, m), 5.84 (1H, m), 4.04 (4H, m), 2.07 (3H, dd, J = 1.5, 1.0 Hz)
1H-NMR (d-acetone): 8.04 (1H, bs), 7.58 (1H, bs), 7.45 (1H, bs), 6.42 (1H, bs), 3.97 (4H, m, OCH2OCH2O), 3.65 (3H, m), 2.67-1.71 (4H, m), 1.71-0.77 (6H, m)
1H-NMR (CDCl3): 7.97 (1H, bs), 7.47 (1H, bs), 7.23 (1H, bs), 6.39 (1H, bs), 4.02 (4H, bs, OCH2CH2O), 3.25-0.86 (60H, m)
1H-NMR (CDCl3): 6.08 (1H, bs), 5.69 (1H, bs), 5.34 (1H, bs), 3.61 (2H, t, J = 6.3 Hz), 3.46 (2H, dt, J = 6.0, 6.6 Hz), 2.05 (2H, tt, J = 6.6, 6.3 Hz), 1.97 (3H, bs)
1H-NMR (CDCl3): 8.03 (1H, d, J = 9.0 Hz), 7.29 (1H, d, J = 2.8 Hz), 6.91 (1H, dd, J = 9.0, 2.8 Hz), 6.55 (1H, s), 6.12 (1H, bs), 5.70 (1H, bs), 5.35 (1H, m), 4.15 (2H, t, J = 5.9 Hz), 4.05 (4H, m), 3.54 (2H, m), 2.10 (2H, m), 1.98 (3H, bs)
1H-NMR(CDCl3): 10.45 (1H, s), 8.22 (1H, d, J = 8.8 Hz), 7.71 (1H, d, J = 2.6 Hz), 7.55 (1H, dd, J = 8.8, 2.6 Hz), 6.41 (1H, s), 5.88 (1H, m), 2.08 (3H, dd, J = 1.4, 1.0 Hz)
実施例4と同様の方法で、図3に示すポリマー1(化合物4でx=33、y=16、z=51)を調製した。親水処理化ポリスチレン基板上に、ポリマー1の2%2,2,2-trifluoroethanol(TFE)溶液をスピンコートし、85℃で1時間加熱して複合材を得た。この複合材をpH7.4のリン酸緩衝溶液(PBS)に浸漬した状態で、図4(a)に示すように、ポリスチレン基板側から、波長365nm、強度120mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー1に10秒間照射すると、直ちに光を照射した領域のポリマー1が膨潤した。図4(b)は、光応答膨潤後に、倒立顕微鏡で複合材を底面から観察した画像である。
ポリアクリル酸(PAAc)の0.05%メタノール溶液を、組織培養用ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して、PAAc修飾ポリスチレン基材を調製した。また、実施例4と同様の方法で、図3に示すポリマー2(化合物4でx=49、y=0、z=51)を調製した。2,2,2,3,3,3-hexafluoroisopropanol(HFIP)とTFEの混合溶媒にポリマー2を0.2%溶解させた溶液をこの基材上にスピンコートし、85℃で30分間加熱して複合材を得た。この複合材を0.05mN水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した状態で、図5(a)に示すように、ポリスチレン基板側から、波長365nm、強度66mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー2に30秒間照射した。その後、複合材の表面をピペッティングすると、光を照射した領域からポリマー2が剥離した。
PAAcの0.1%メタノール溶液を、組織培養用ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して、PAAc修飾ポリスチレン基材を調製した。また、実施例4と同様の方法で、図3に示すポリマー3(化合物4でx=0、y=49、z=51)を調製した。HFIP77%とTFE23%の混合溶媒にポリマー3を0.41%溶解させた溶液をこの基材上にスピンコートし、85℃で2時間加熱して複合材を得た。この複合材をpH7.4のPBSに浸漬した状態で、図6(a)に示すように、ポリスチレン基板側から、波長365nm、強度120mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー3に2分間照射した。その後、複合材の表面をピペッティングすると、光を照射した領域からポリマー3が剥離した。
図3に示すポリマー3の2%TFE溶液と、部分加水分解PMMAの0.2%TFE溶液を1:5で混合した混合溶液を、ポリスチレン基板にスピンコートして、ポリマー3と部分加水分解PMMAの複合層を表面に備える複合材を得た。ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)を2%、tetramethoxymethyl glycoluril(TMMGU)を0.015%、H2SO4を3mmol/kgを含むメタノール溶液を、この複合材の複合層にスピンコートし、85℃で2時間加熱することによって架橋HPC層を形成した。
実施例6と同様の方法で、図3に示すポリマー4(化合物6でx=0、y=20、z=80)を調製した。ポリスチレン基板上に、ポリマー4の1%TFE溶液をスピンコートし、85℃で30分間加熱して複合材を得た。図8(a)に示すように、空気中でこの複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度66mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー4に30秒間照射した。その後、エタノールと水を7:3で混合した混合液に複合材を浸漬した。光を照射しなかった領域では、ポリマー4が混合液に溶解して複合材から除去されたのに対して、光を照射した領域では、ポリマー4の架橋反応によって混合液への溶解が抑制され、複合材にポリマー4の架橋物が残存した。
実施例6と同様の方法で、図3に示すポリマー5(化合物6でx=0、y=14、z=86)を調製した。ポリスチレン基板上に、ポリマー5の1%TFE溶液をスピンコートして複合材を得た。図9(a)に示すように、空気中でこの複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度66mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー5に20秒間照射した。
PAAcの0.05%メタノール溶液を、組織培養用ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して、PAAc修飾ポリスチレン基材を調製した。また、実施例6と同様の方法で、図3に示すポリマー6(化合物6でx=32、y=11、z=57)を調製した。ポリマー6の0.5%TFE溶液をこの基材上にスピンコートして複合材を得た。この複合材を5mNのNaOH水溶液に浸漬した状態で、図10(a)に示すように、ポリスチレン基板側から、波長360〜440nm、強度400mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー6に10秒間照射した。光を照射した領域ではポリマー6がPAAc層から直ちに剥離膨潤した。
実施例6と同様の方法で、図3に示すポリマー7(化合物6でx=0、y=23、z=77)を調製した。また、HPCを0.2%、TMMGUを0.0015%、H2SO4を0.5mmol/kgそれぞれ含むメタノール溶液を、組織培養用ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して細胞接着阻害性の架橋HPC層を形成し、HPCゲル修飾ポリスチレン基材を調製した。さらに、TFEとn−ブタノールを7:3で混合した混合溶媒にポリマー7を0.7%溶解した溶液を、この架橋HPC層上にスピンコートして複合材を得た。
実施例10と同様の方法で、図12に示すポリマー9(化合物10でx=17、y=5、z=78)を調製した。ポリスチレン基板上に、ポリマー9の1%TFE溶液をスピンコートし、85℃で2時間加熱して複合材を得た。図13(a)に示すように、培地中でこの複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度120mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー9に2秒間照射すると、光を照射した領域のポリマー9が培地に溶解した。
図12に示すポリマー9の1%TFE溶液を、組織培養用ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で15分間加熱して複合材を得た。図14(a)に示すように、空気中でこの複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度66mW/cm2の光を所定パターンのドット状にポリマー9に5秒間照射して、水でリンスした。その後、複合材をpH7.4のPBSに浸漬したところ、光を照射しなかった領域ではポリマー9が徐々にPBSに溶解した。一方、光を照射した領域では、ポリマー9の架橋物がポリスチレン基板上に残存した。さらに、PBS中でこの複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度120mW/cm2の光を、残存したポリマー9の一部(長方形状)に1秒間照射すると、光を照射した領域のポリマー9はPBSに溶解した。
図12に示すポリマー9の1%TFE溶液をポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して複合材を得た。この複合材のポリマー9の層の表面全体に、波長365nm、強度28mW/cm2の光を10秒間照射し、水でリンスした後に乾燥した。さらに、HPCを3.6%、TMMGUを0.044%、H2SO4を4.4mmol/kgそれぞれ含むメタノール溶液を、複合材のポリマー9の層にスピンコートし、85℃で2時間加熱することによって架橋HPC層を形成した。図15(a)に示すように、pH7.4のPBS中で複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度120mW/cm2の光を所定パターンの六角形状にポリマー9に5秒間照射した。光を照射した領域ではポリマー9がポリスチレン基板から直ちに剥離膨潤した。
図12に示すポリマー9の1%TFE溶液をポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して複合材を得た。培地に分散させたNIH/3T3細胞をこの複合材に播種した。半日培養したところ、図16(a)に示すように、ポリマー9の層の表面全面に細胞が接着伸展した。複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度120mW/cm2の光を局所的にポリマー9に1分間照射したところ、光を照射した領域では伸展していた細胞が丸く変化した。1時間後、複合材の表面全体に培地を軽く吹き付けると、光を照射した領域では細胞がポリマー9から剥離した。
実施例12と同様の方法で、図12に示すポリマー11(化合物12でx=25、y=0、z=75)を調製した。ポリマー11を1.5%含むTFE溶液をポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2.5時間加熱して複合材を得た。図17(a)に示すように、PBS中でこの複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度120mW/cm2の光を、所定パターンのドット状にポリマー11に2秒間照射すると、光を照射した領域のポリマー11はPBSに溶解した。
ポリマー11を1.5%含むTFE溶液をポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2.5時間加熱して複合材を得た。培地に分散させたNIH/3T3細胞をこの複合材に播種した。半日培養したところ、図18(a)に示すように、ポリマー11の層の表面全面に細胞が接着伸展した。複合材のポリスチレン基板側から、波長365nm、強度66mW/cm2の光を、局所的な長方形状にポリマー11に10秒間照射した。30分後、複合材の表面全体に培地を軽く吹き付けると、光を照射した領域では、細胞とポリマー11が一体となった状態でポリスチレン基板から剥離した。
実施例12と同様の方法で、図12に示すポリマー12(化合物12でx=10、y=0、z=90)とポリマー14(化合物12でx=4、y=0、z=96)を調製した。ポリマー12とポリマー14をそれぞれ0.01%含む2種類のリン酸緩衝水溶液(いずれもpH7.41)を調製した。これら2種類の水溶液の波長700nmにおける濁度(光路長1cm)の温度依存性を、波長365nmの紫外光の照射前後で測定した。なお、紫外光照射後の各水溶液は、十分量の紫外光を照射したものである。その結果を図19に示す。紫外光照射前の濁度を■で、紫外光照射後の濁度を●で表している。
ポリマー12を0.9%含むTFE溶液88%とn−BuOH12%の混合溶液を、ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して複合材を得た。この複合材を37℃の水に1時間浸漬した後、培地に分散させたNIH/3T3細胞をこの複合材に播種した。半日培養したところ、図20(a)に示すように、ポリマー12の層の表面全体で細胞が接着伸展した。
ポリマー12を0.91%、および無修飾Poly(N-isopropylacrylamide)(pNIPAAm)を0.36%含むTFE溶液を、ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2.5時間加熱して、ポリマー12とpNIPAAmの複合層を表面に備える複合材を得た。MDCK細胞を培地に分散してこの複合材に播種した。半日培養したところ、図21(a)に示すように、この複合層の表面全体で細胞が接着伸展した。複合材上の細胞の一部の領域に、波長365nm、強度120mW/cm2の光をポリスチレン基板側から3秒間照射した。光を照射した領域では複合層が培地に溶解し、溶解した複合層上に接着伸展していた細胞が個別に剥離した。本発明の高分子化合物を用いて細胞1個単位で操作できることが実証された。
ポリマー12を1.5%、および無修飾pNIPAAmを0.44%含むTFE溶液91%とn−BuOH9%の混合溶液を、ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2時間加熱して、ポリマー12とpNIPAAmの複合層を表面に備える複合材を得た。室温に保った状態で、この複合材の表面に膜調整剤(コーニング社、マトリゲル)をコートし、さらにヒトiPS細胞の集塊を播種した。
実施例12と同様の方法で、図12に示すポリマー13(化合物12でx=7、y=0、z=93)を調製した。ポリマー13の0.88%TFE溶液をポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2.5時間加熱して複合材を得た。室温に保った状態で、この複合材の表面に膜調整剤(コーニング社、マトリゲル)をコートし、さらにヒトiPS細胞の集塊を播種した。
ポリマー12を0.81%、および無修飾pNIPAAmを0.56%含むTFE溶液を、ポリスチレン基板にスピンコートし、85℃で2.5時間加熱して、ポリマー12とpNIPAAmの複合層を表面に備える複合材を得た。NIH/3T3細胞を培地に分散してこの複合材に播種した。半日培養したところ、図24(a)に示すように、この複合層の表面全体で細胞が接着伸展した。いくつかの細胞の偽足先端が存在していた複合層の領域に、波長365nm、強度120mW/cm2の光をポリスチレン基板側から3秒間照射した。光を照射した領域の複合層の表面のみから偽足の先端が外れ、偽足が収縮した。本発明の高分子化合物を用いて個別細胞の特定部位を独立して操作できることが実証された。
エーテル基を介してNBA基を導入率4mol%で修飾したpNIPAAm(図12の化合物14。以下、エーテル基を介してNBA基を導入したpNIPAAmを「pNBANIPAAm」ということがある)を基板にコートした。そのコート層にNIH/3T3細胞を播種し、37℃で2日間培養した。そして、基板の底面側から、中心波長365nm、強度40mW/cm2の光を10秒間照射し、表面に培地を軽く吹き付けることによって細胞を回収した。1mMのEDTAを含むpH7.4のリン酸緩衝溶液で、単細胞にまで分散した後、トリパンブルーで染色した。染色細胞と非染色細胞の個数をカウントして、NIH/3T3細胞の生存率を96%と見積もった(図25のグラフの左)。
光路長1cmの四面透過光学セル(キュベット)内で、NBA基の導入率が10mol%のpNBANIPAAmの0.01%水溶液に微量のBTBを加えた。約1%の0.01NのNaOH水溶液をさらに添加して、図26(a)に示すような弱塩基性の青色水溶液を調製した。そして、キュベット内の水溶液の下半分に中心波長365nmの紫外光を照射した。図26(b)に示すように、光照射された領域で速やかに黄色に変化した。
NBA基の導入率が10mol%のpNBANIPAAmの1%水溶液と、各種pHの緩衝液または塩酸水溶液とを、pNBANIPAAmの0.01%水溶液となるようにキュベット内で混合した。この水溶液の温度を0℃から60℃まで徐々に上昇させながら、波長700nmの光の吸光度が0となる水溶液の光学密度を測定して濁度とした。その後、再び水溶液を0℃に冷却し、スペクトル変化が飽和するまで、中心波長365nmの紫外光を水溶液に照射した。そして、再び水溶液の温度を徐々に上昇させながら、各温度での水溶液の濁度を測定した。この結果を図27に示す。
実施例37と同様にして、NBA基の導入率が0mol%、4mol%、7mol%、および10mol%の4種類のpNBANIPAAmを0.01%含むpH7.4のリン酸緩衝溶液の700nmにおける濁度を0℃から60℃で測定した。その結果を図28に示す。図28に示すように、NBA基の導入率の増加にともなって、紫外光照射前の水溶液の転移温度が低下した。つまり、NBA基の導入率の増加にともなって、ポリマーの溶解性が低くなった。一方、紫外光照射後の転移温度は、NBA基の導入率の増加にともなって著しく上昇した。
実施例37と同様にして、NBA基の導入率が10mol%のpNBANIPAAmで、NTBAAmを含まないpNIPAAmの0.01%リン酸緩衝溶液(pH7.4)、およびNTBAAmを20mol%含むpNIPAAmの0.01%リン酸緩衝溶液(pH7.4)の700nmにおける濁度を0℃から60℃で測定した。その結果を図29に示す。図29に示すように、NTBAAmを含むpNIPAAm水溶液の紫外光照射前の転移温度は、NTBAAmを含まないpNIPAAm水溶液の紫外光照射前の転移温度より低下した。つまり、NTBAAmの導入により、pNIPAAmポリマーの暗所安定性が高くなった。一方、紫外光照射後の転移温度は、NTBAAmの有無に関わらず著しく上昇した。
pH4.0、pH5.0、およびpH7.4の各pH緩衝液(25℃)中で、NBA基の導入率が10mol%のpNBANIPAAmをコートした層に、直径100μmの微小水玉模様のパターンに沿って紫外光を照射し、光応答溶解特性を観察した。その結果を図30に示す。図30(a)に示すように、pH4.0では十分量の紫外光を照射してもポリマー膜が溶解しなかった。図30(b)および図30(c)に示すように、pH5.0およびpH7.4では、紫外光照射に応答してポリマー膜が速やかに溶解した。なお、このpNBANIPAAmコート膜は、37℃、pH7.4の緩衝溶液に浸漬した状態で1ヶ月間不溶状態保った。その後、このpNBANIPAAmコート膜に光照射を行うと、鋭敏に溶解することが観察された。
NBA基の導入率が10mol%のpNBANIPAAmのTFE溶液に微量のポリエチレン微粒子を分散させた分散液をポリスチレン基材にキャストした。pNBANIPAAmを介してポリエチレン微粒子がポリスチレン基材表面に固定された試料を得た。顕微鏡で観察しながら、pH7.4のリン酸緩衝溶液中で、所定の微粒子凝集体が存在する領域に、波長365nmの光を基材底面から照射した。pNBANIPAAmが溶解して、光が照射された微粒子のみが選択的に浮上することが観察された。この結果を図31に示す。この結果から、手操作で基材から剥離できないような微小物体を、光制御で基材から剥離できることが実証された。
NBA基の導入率が7mol%のpNBANIPAAmをポリスチレン基材上にコートした。ローダミンで蛍光標識されたウシ血清アルブミン(RBSA)のリン酸緩衝溶液(pH7.4)をこのpNBANIPAAm膜上に載せた。そして、37℃で30分間静置して、pNBANIPAAmの薄層を介して、RBSAが基材表面に固定された試料を得た。基材底面側からこの試料に微小の文字パターンの光を照射して、照射前後の蛍光分布を共焦点レーザー走査顕微鏡で観察した。図32(a)は、RBSAが光リリースされる様子を模式的に示している。図32(b)は、光照射前(左)と光照射後(右)のそれぞれの蛍光分布像である。図32(b)に示すように、光照射域のみから蛍光が消失した。すなわち、基材表面に固定されたRBSAが、局所光照射によって選択的に基材表面からリリースされた。
5mol%のメタクリル酸を含むpNIPAAmを0.20%、および両末端にグリシジル基を有するポリエチレングリコールを0.039%含む塩基性メタノール溶液をポリスチレン基材表面にスピンコートした。そして、80℃で2時間加熱することにより、細胞接着阻害表面を作製した。10mol%のNBA基および20mol%のNTBAAmを含むNIPAAmを1.3%、ならびに無修飾pNIPAAmを0.23%含むTFE溶液をこの細胞接着阻害表面にスピンコートし、85℃で1.5時間加熱した。
肝実質細胞やそれに由来する株化細胞の培養系を用いて、薬物等の肝代謝や肝毒性を評価する試みがなされている。しかし、一般的な培養方法では肝特異的機能がほとんど発現しないことが問題になっている。このため、機能低下を改善する手法として、細胞同士が凝集した組織体としての培養が検討されている。しかし、細胞集塊内部への酸素や栄養分の供給の難しさが課題となっている。そこで、組織体と基材の隙間を培地が流れる構造として、培養基材上に固定されたひも状の組織体構造を、NBA修飾ポリマーの光特性を応用して構築することを試みた。この構造の形成過程を図34に模式的に示す。
細胞培養系において、カルシウムイオンがmMオーダーの濃度で培地に含まれる。しかし、細胞膜に存在するカルシウムイオンポンプの働きによって、細胞培養系の細胞内では、カルシウムイオンがnMオーダーの非常に低い濃度に保たれている。細胞培養系の細胞にイオノマイシンを添加すると、イオノマイシンが細胞膜に取り込まれて細胞膜のカルシウム透過を誘起する。細胞膜のカルシウム透過が著しい場合には、細胞死が引き起こされる。この機構を図36に模式的に示す。
Claims (9)
- 請求項1において、
下記の化学式(2)で表される高分子化合物。
R1は、アルデヒド基または上記の化学式(1)で表される官能基であり、
R1とNO2は、隣り合った炭素原子にそれぞれ結合しており、
R2は、水素、アルキル基、下記の化学式(3)で表される官能基、および下記の化学式(4)で表される官能基の中から選ばれる少なくとも一種であり(R6およびR7は水素、アルキル基、または芳香環であり、R8はアルキル基である)、
Gは、ベンゼン環の水素と置換されてもよい3個以下のアルキル基であり、
wおよびzは、モル百分率を示し、0<w≦100、0≦z<100である。 - 基材と、前記基材の表面に設けられた請求項1から3のいずれかに記載の高分子化合物を含有する層とを有する複合材。
- 光源と、請求項4に記載の複合材とを有する光駆動アクチュエータ。
- 請求項4に記載の複合材の前記高分子化合物を含有する層の表面で細胞を培養する培養工程と、
前記培養工程の後、前記高分子化合物を含有する層の表面の少なくとも一部の領域に光を照射する光照射工程と、
前記光照射工程で光を照射した領域に存在する細胞を除去する除去工程と、
を有する細胞操作方法。 - 請求項6において、
前記除去工程で、前記高分子化合物を含有する層の一部を水に溶かして、前記培養した細胞の一部を除去する細胞操作方法。
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