JPH0838523A - 整形外科インプラント及びその製造方法 - Google Patents

整形外科インプラント及びその製造方法

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JPH0838523A JP7090857A JP9085795A JPH0838523A JP H0838523 A JPH0838523 A JP H0838523A JP 7090857 A JP7090857 A JP 7090857A JP 9085795 A JP9085795 A JP 9085795A JP H0838523 A JPH0838523 A JP H0838523A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、溶接によりインプラント本体に付
着された細孔性層をもつインプラントの製造方法を提供
することを目的とする。 【構成】 本発明に係る方法は、細孔性表面をもつ整形
外科インプラントの形成方法であって: 実質的な固体層
に付着された細孔性層を含む細孔性表面を用意し; その
細孔性層をその整形外科インプラントに配置し; 高エネ
ルギー密度溶接ビームを作り出すことができる高エネル
ギー密度溶接装置を用意し; そしてその細孔性層の周囲
のまわりでその高エネルギー密度溶接ビームを照射する
ことによりその細孔性層の周囲のまわりに溶接ビードを
実質的に形成し、ここで、その溶接ビードがその細孔性
層をそのインプラントに結合するような方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、細孔性外層をもつ整形
外科インプラントに関し、そして溶接によりそのインプ
ラント本体に付着された細孔性層をもつインプラントに
特定の関連をもつ。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】骨への
インプラントの長期間にわたる固定のために、細孔性層
の開口内への骨の内成長を促進させる細孔性層により、
整形外科インプラントの一部を覆うことが、知られてい
る。拡散結合(diffusion bonding) が最も広く知られて
おり、そして細孔性層をインプラントに付着させるため
に許容された方法である。曲面上の支持体、例えば、股
関節部幹に細孔性層を拡散結合することは、多大の時間
を必要とし且つ高価な仕事である。さらに、支持体への
細孔性材料の拡散結合は、ノッチがその支持体内に形成
されることを引き起こすことができ、それ故にその支持
体の強度を減少させる。この効果を補償するために、整
形外科インプラントの製造者は、その強度を増加させる
ために、その支持体に付着させる細孔性層の量を制限す
るか又はその支持体のサイズを調節するかのいずれかを
行うことができる。
【０００３】
【課題を解決するための手段】本発明に係る方法及びイ
ンプラントは、レーザー溶接によるインプラントへの細
孔性パッドの付着を提供する。この細孔性パッドは、薄
い金属ホイル層に拡散結合された細孔性材料の平らなシ
ートから成る。平らなホイル〜細孔性材料間の拡散結合
は、曲面上で結合するときよりも実質的に困難性がより
少ない。金属ホイルを細孔性材料に結合させて細孔性パ
ッドを形成した後、そのパッドを所望の形状に切断して
ブランクを形成する。このブランクを、そのインプラン
ト上のその意図された位置に実質的に合うような形状に
スタンプする。このブランクをそのインプラント上に配
置し、そしてその支持体にレーザー溶接する。細孔性表
面は、細孔性の股関節部幹上に見られるであろうよう
に、そのインプラントの一部を取り囲むことを意図され
る場合、第二ブランクを切断し、そしてスタンプする。
これらの2 つのスタンプされたブランクを、それらがそ
れらの端において隣接するようにそのインプラントのま
わりに配置する。次にこれらのブランクをレーザー溶接
装置を使用して一緒に溶接して、そのインプラントのま
わりに統合された細孔性層を形成する。
【０００４】これらの細孔性パッドも、その細孔性パッ
ドとインプラントとの境界をシールするために、それら
の端においてそのインプラントにレーザー溶接装置を使
用して溶接されることができる。最初に細孔性材料を薄
いホイルに結合してパッドを形成し、そして次にそれら
のブランクから切断され且つスタンプされたブランクを
レーザー溶接によりそのインプラントに接続することに
より、そのインプラント本体内のノッチの形成を取り除
く。支持体が溶接工程により影響を受けないようにレー
ザー・ビームを制御する。それ故、このようなやり方で
細孔性層を接続することにより、インプラント製造者
は、そのインプラント本体に接続されることができる細
孔性表面の量に関して制限しなくてもよい。さらに、細
孔性パッドの支持体へのレーザー溶接は、上記拡散結合
工程に比べて、より速く且つ安価な付着方法である。
【０００５】他の態様においては、ポリマー層を、パッ
ドと支持体との間に配置することもできるであろう。こ
のポリマー層は、そのパッド及び支持体に接着剤により
結合してユニークな萎ませクランプ(unique wilting cl
amps) の必要性を取り去るであろうし、そしてまた、よ
り均一なやり方でその支持体への伝達応力を支援するで
あろう。また、このポリマーは、そのパッドと支持体と
の間の隙間を満たすことを支援し、それによりその製造
者がその支持体及びパッドについての製造公差を減少さ
せることを許容するであろう。本発明のさらなる変法に
おいては、薄い金属ホイルは、小さな孔を含み、そのパ
ッドと支持体との間の空間から液体の侵入(ingress) 及
び排出(egress)を許容することができる。用語" レーザ
ー溶接" 、" レーザー溶接装置" 又は" レーザー・ビー
ム" は、いずれかの高エネルギー密度溶接方法、例え
ば、レーザー又は電子ビーム溶接をいうために本明細書
中で使用される。従って、本発明の利点は、溶接により
インプラントに接続された細孔性表面層をもつ新規の整
形外科インプラントを提供することである。
【０００６】本発明の他の利点は、整形外科インプラン
トに細孔性表面を付着させる新規の方法を提供すること
である。本発明のさらに他の利点は、インプラントの強
度に有害な影響を及ぼさずにそのインプラントに細孔性
表面を付着させる方法を提供することである。本発明の
他の利点は、細孔性表面層とインプラント本体との間の
境界がシールされている整形外科インプラントを提供す
ることである。本発明の別の利点は、添付図面に係る以
下の説明を読む間に明らかになるであろう。
【０００７】本明細書中に記載する好ましい態様は、網
羅的なものであると又は開示されたままの形態に本発明
を限定するものと意図されていない。むしろ、それら
は、当業者がそれらの技術を利用することができるよう
に本発明を最もよく説明するために選択され且つ記載さ
れている。本発明に係る方法は、インプラントの本体に
溶接された細孔性構造物をもつインプラントを作り出す
ために、以下の図面中に、説明される。本法は、細孔性
表面(12)及び薄い金属裏材(14)をもつ細孔性パッド(10)
の形成に始まる。好ましくは、この細孔性材料、例え
ば、繊維金属の大きなシートを、同様なサイズの薄い金
属シート又はホイルに拡散結合する。この拡散結合工程
の後、ブランク(8) を、レーザー切断又は装置であって
そのブランクの端を実質的に変形させずにそのパッドを
切断することができるものを使用してそのシートから切
断する。次にブランク(8) を、図2 中に例示するように
協同する雄及び雌セクションをもつスタンピング・ダイ
(16)内に入れる。スタンピング・ダイ(16)は、力を加え
ることで一緒になる協同する雄及び雌部分を含み、そし
てそのブランク(8) を、図3 中に示すような股関節部イ
ンプラント(17)の一部に実質的に合うパッド(10)に形成
する。
【０００８】好ましい態様においては、インプラント(1
7)は、肩(18)及び(20)を形成する凹んだセクションを含
む幹部分(16)を含む。この凹んだセクションは、上記の
ブランクを合わせるために提供される。肩(18)と(20)
は、それらのブランクの遠くの端と近くの端に接するよ
うに、そしてインプラント(17)に対して長さ方向に形状
化パッド(10)がシフトすることを防ぐために、提供され
る。一旦、ブランク(8)が、形状化パッド(10)に形成さ
れると、それらのパッドを、そのインプラント上に置
き、そしてクランプ装置( 図示せず) によりその場に一
時的に保持する。あるいは、一定量の接着剤ポリマー
を、パッドと幹との間に置いてそのパッドを溶接の間に
その場に保持することができるであろう。また、このポ
リマーは、使用においてその荷重をその幹に伝達するこ
とにおいて支援するであろう。
【０００９】一旦、インプラントにクランプされると、
レーザーを、パッド(10)の間のつなぎ目に沿ってガイド
し、それらのパッドの一部が一緒に溶けることを引き起
こす溶接ビード(22)を形成させ、それにより、そのイン
プラントの本体にまわりに統合されたパッドを形成す
る。溶接産業において公知のように、レーザーの強度
は、その溶接ビードの深さを正確に制御するために制御
されなければならない。好ましい態様においては、その
溶接ビードの強度は、その細孔性パッドの間にのみ形成
され、そしてそのインプラントの外表面にはみ出さない
ように、設定される。一旦、溶接されると、細孔性パッ
ドは、そのインプラントの肩(18)と(20)との間でしっか
りと固定される。その幹の機械的な固定を支援するため
に、レーザー溶接装置は、そのインプラントの肩にその
パッドを溶接するために、そのインプラントの近くの及
び遠くに肩のまわりでガイドされることができる。それ
故、そのパッドとインプラントとの間の境界は、そのレ
ーザー溶接装置によりシールされる。パッドとインプラ
ントとの間の境界のシールは、体液の侵入を防止するで
あろう。
【００１０】他の方法を図6 〜12中に説明する。図6-12
の方法においては、細孔性材料(30)、好ましくは繊維金
属を、切断して形状化し、そして次に同様の形状をもつ
薄い金属ホイル(32)に拡散結合させる。この金属ホイル
は、その細孔性材料よりも僅かに大きく、そして例示す
るようにそれから外側に延びている。繊維金属(30)とホ
イル(32)を公知のやり方で拡散結合させ、そして次にス
タンピング・ダイ(34)内に入れ、そしてその繊維金属が
図8 及び9 中に説明するようにその繊維金属の側端のま
わりで曲がるようにスタンプして、繊維金属パッド(3
6)、すなわちホイルの底部分及び側部分を、形成させ
る。この繊維金属パッド(36)を、インプラントの適合す
る凹み(38)内に入れる。図10〜12中に、繊維金属パッド
(30)が、( 部分的に例示する) 脛骨膝成分(40)の骨結合
表面上の適合凹み(38)内に配置されていることが示され
ている。例示するように、繊維金属パッドは、インプラ
ントに対して盛り上がって置かれ、そのホイルはそのイ
ンプラント表面のまわりに僅かに延びている。インプラ
ントのまわりに延びる少量のホイルは、その溶接工程の
間に溶接ビーズ(42)を形成する材料を提供する。
【００１１】適合凹み内に配置した後、そのパッドの端
に沿ってインプラントとホイルとの間の接続においてそ
のパッドをそのインプラントにレーザー溶接する。図12
は、インプラントに溶接された後のパッド(36)を説明し
ている。この溶接は、繊維金属パッドの周囲のまわりに
全て向けられることができ、これによりそのパッドとイ
ンプラントとの間の領域を水分の侵入からシールする。
さらに、本産業においてよく知られているようにスクリ
ュー孔又は固定ポストに合うための開口を形成されるこ
とができる。本発明に係るレーザー溶接技術を使用し
て、パッドを、インプラントへのパッドの固定を強化す
るために上記のような開口のまわりで溶接することがで
きる。
【００１２】先の方法の好ましい変法においては、スタ
ンピング工程を取り除かれる。それ故、図12Ｂ中に説明
するように、ホイル(32') は繊維金属層(30') を超えて
所定量延びているが、インプラント(40)内に形成された
空隙(38)とほとんど同じ大きさに形状化されている。レ
ーザー・ビームを、ホイルの延びた部分に沿って照射し
て、図12Ｂに例示するように溶接ビードに沿ってインプ
ラントにそのホイルを固定する。図13は、図1 〜5 の股
関節部幹のレーザー溶接をダイアグラムの形態において
説明している。使用されるレーザー溶接装置の特定のタ
イプは、製造者に対する選択物の中の1 つであり、そし
て商業的に入手可能である。レーザー溶接が一般的に公
知であるため、ここでは討議しない。重要なことは、そ
のレーザーの出力又は強度が、そのレーザー・ビームが
繊維金属パッドだけに影響を及ぼし、そしてインプラン
ト支持体に広がらないように、制御されることができる
ことである。レーザー溶接は、他の溶接技術、例えば、
プラズマ又はアーク溶接よりもインプラント本体に熱を
少ししか照射しない。それ故、このレーザーの使用は、
インプラントの冶金学をその溶接工程により有害に変更
しないことを確保するための好ましい方法である。
【００１３】図14Ａ及び14Ｂは、図6 〜12の繊維金属パ
ッドのレーザー溶接をダイアグラムの形態において説明
している。ここで、溶接工程が金属ホイルをインプラン
トに連結するので、そのインプラントの幾分かの変形が
溶接を行うために必要である。しかしながら、レーザー
溶接装置(50)の使用により、その変形の程度は、その溶
接ビードに沿って局在化され、それによりそのインプラ
ント本体内の有害な冶金学的変化を防止する。例示する
ように、ホイル(32)の一部がそのインプラント表面上に
延び、そしてその溶接工程において使用される金属を形
成して溶接ビード(42)を形成する。図14Ｃは、溶接工程
が終了した後の（14Ｂ) のセクションを説明している。
【００１４】図15Ａは、繊維金属パッドをインプラント
本体にレーザー溶接することに対して許容される変法と
してのレーザー・クラッディングをダイアグラムの形態
において説明している。よく知られているように、レー
ザー・クラッディングは、レーザー・ビーム(62)の経路
内への金属粉末(60)のインジェクションを要求する。こ
のレーザー・ビーム(62)は、この粉末を溶かし、そして
その溶けた金属をインプラントの上に正確にデポジット
する。本発明の応用において、このクラッディング工程
を、その繊維金属パッドの側とインプラントの間の空間
の埋めるために図6 〜12の態様と関連して、使用するこ
とができる。このクラッディング工程が行われるとき、
デポジットされた溶融金属は、接触点においてインプラ
ントを繊維金属パッドに結合し、そして図15Ｂ中に示す
ように金属の隅肉(fillet)(64)を形成する。クラッディ
ングは、本工程において特に有利である。なぜなら、イ
ンプラントの凹み及び繊維金属パッドの公差が減少され
ることができ、いずれの隙間もこのクラッディング工程
により埋められるからである。
【００１５】本発明に係る方法に関連して使用されるク
ラッディング工程が溶接のためのワイヤー・フィード・
クラッディング(wire feed cladding)又は類似の公知の
工程であることもできるであろうことを理解すべきであ
る。また、本発明が先に細目のままに限定されず先の請
求の範囲から外れずに修正されることができることをも
理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図1 は、より大きな細孔性パッドから切断され
ている股関節部幹インプラントのための実質的に平らな
細孔性ブランクの斜視図である。
【図２】図2 は、図1 の平らな細孔性ブランクを、股関
節部幹インプラントにフィットするような形状に、形成
するために使用されるスタンピング工程を説明する斜視
図である。
【図３】図3 は、図2 の形状化ブランクを受け入れるよ
うに形状化された股関節部幹の拡大斜視図である。
【図４】図4 は、溶接工程が終了した後の図3 の股関節
部幹及びブランクの斜視図である。
【図５】図5 は、図4 の線5-5 に沿ってとった断面図で
ある。図5'は、溶接工程前の図5 の断面図である。
【図６】図6 は、金属ホイルが細孔性材料を超えて延び
るような別のやり方において形成された実質的に平らな
ブランクの正面図である。
【図７】図7 は、図6 の側面図である。
【図８】図8 は、図6 及び7 の実質的に平らなブランク
を、そのホイルがその細孔性材料の側端に沿って延びる
ように、スタンピング・ダイにより形状化することを説
明している。
【図９】図9 は、図6 及び7 の実質的に平らなブランク
を、そのホイルがその細孔性材料の側端に沿って延びる
ように、スタンピング・ダイにより形状化することを説
明している。
【図１０】図10は、脛骨皿(tibial plate)の凹み内に置
かれた図6 〜10の細孔性パッドを説明する正面図であ
る。
【図１１】図11は、溶接前の、図10の線11-11 に沿って
とった断面図である。
【図１２】図12Ａは、細孔性パッドがインプラントにレ
ーザー溶接された後の、図11の断面図について説明して
いる。図12Ｂは、図7 のパッドが凹み内に入れられ、そ
してその延びた端が上方に曲げられずにそれに溶接され
るような変法を説明している。
【図１３】図13は、細孔性パッドをインプラントにレー
ザー溶接する方法を説明するダイアグラムである。イン
プラントと細孔性パッドは断面図において説明されてい
る。
【図１４】図14Ａは、図10中において囲まれ、そして番
号(14)により同定される領域の拡大断面図である。図14
Ｂは、( 部分的に示された) インプラントの凹み内で細
孔性パッドをレーザー溶接する方法について説明するダ
イアグラムである。図14Ｃは、細孔性パッドがインプラ
ントに溶接された後の、図14Ａの拡大断面図である。
【図１５】図15Ａは、細孔性パッドをインプラントにレ
ーザー・クラッディング(laser cladding)するための方
法について説明するダイアグラムである。図15Ｂは、細
孔性パッドとインプラントとの間のクラッドされた接続
を説明する拡大断面図である。
【符号の説明】
8 …ブランク 10…細孔性パッド 12…細孔性表面 14…薄い金属裏材 16…スタンピング・ダイ 17…インプラント 18…肩 20…肩 22…溶接ビード 30…細孔性材料 30' …繊維金属層 32…薄い金属ホイル、ホイル 32' …ホイル 34…スタンピング・ダイ 36…繊維金属パッド 38…適合凹み、空隙 40…脛骨膝成分、インプラント 42…溶接ビード 50…レーザー溶接装置 60…金属粉末 62…レーザー・ビーム 64…隅肉
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブ クレブス アメリカ合衆国，インディアナ 46804, フォート ウェイン，ソートゥース コー ト 9906 (72)発明者 スティーブ ティー．リン アメリカ合衆国，インディアナ 46804, フォート ウェイン，シー ウィンド プ レイス 9117 (72)発明者 クラレンス エム．パンチソン アメリカ合衆国，インディアナ 46580, ウォーソー，サウス サウスウッド ドラ イブ 2787 (72)発明者 ジェームズ ジェイ．モール アメリカ合衆国，インディアナ 46538, リースバーグ，イースト オールドフィー ルド ドライブ 3830

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 細孔性外表面をもつ整形外科インプラン
    トの形成方法であって: a)本体を有する整形外科インプラントを用意し、その本
    体がその中に形成され且つ少なくとも1 の肩を定める凹
    みをもち; b)固体表面及び細孔性表面をもつ細孔性パッドを用意
    し; c)その細孔性パッドの一部とその肩が隣接するようにそ
    の凹み内でそのインプラント本体の上にその細孔性パッ
    ドを配置し; そして d)そのパッドを本体に固定するために、その肩及びその
    肩に隣接した細孔性パッドの部分に沿って溶接ビード(w
    eld bead) を、形成する;を含んで成る方法。
  2. 【請求項２】 段階b)が以下の段階: e)所定の形状をもつ薄い金属シートの形態において固体
    表面の層を用意し; f)所定の形状をもつ細孔性層を用意し; g)その薄い金属シートに接するようにその細孔性層を置
    き; そして h)その薄い金属シートにその細孔性層を結合させて結合
    構造を形成する;を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 以下の段階: i)前記結合構造からパッドを切断し、そのパッドの片側
    が固体表面層をもち、そしてそのパッドの他の側が細孔
    性である、を含む、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 薄い金属シートの一部が細孔性層を超え
    て延びるように、その薄い金属シートの所定の形状が、
    その細孔性層の所定の形状よりも大きい、請求項２に記
    載の方法。
  5. 【請求項５】 その一部がその細孔性層の外周囲端に隣
    接するように、細孔性層を超えて延びた薄い金属シート
    の一部を約90°において曲げる段階をさらに含む、請求
    項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 段階d)が、レーザー・ビームの使用によ
    り金属を溶接することができるレーザー溶接装置を用意
    し、そして肩及び細孔性パッドの隣接部分に照射する、
    ことを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 肩と細孔性パッドの隣接部分との間で粉
    末金属が溶け且つデポジットするように、粉末金属のス
    プレーをレーザー・ビームに照準する段階をさらに含
    む、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 細孔性パッドを整形外科インプラントに
    付着させる方法であって: a)細孔性パッドに合うように空隙をっもつ整形外科イン
    プラントを用意し、その空隙が周囲の肩を定め; b)周囲の外端をもつ細孔性パッドを用意し; c)その細孔性パッドの周囲の外端がそのインプラント空
    隙の周囲の肩に隣接するように、その空隙内にその細孔
    性パッドを配置し; そして d)その細孔性パッドの周囲の外端をそのインプラントの
    周囲の肩に溶接する、を含んで成る方法。
  9. 【請求項９】 形成された輪状の細孔性表面をもつ整形
    外科股関節部幹補てつ物の形成方法であって、以下の段
    階: a)延長された幹部分及び首部分を含む本体をもつ整形外
    科股関節部幹インプラントを用意し; b)固体表面及び細孔性表面をもち、そして末端を含む、
    第一細孔性パッドを用意し; c)そのインプラント本体及び幹の一部に実質的に合うよ
    うにその第一細孔性パッドを形成し; d)固体表面及び細孔性表面をもち、そして末端を含む、
    第二細孔性パッドを用意し; e)そのインプラント本体及び幹の一部に実質的に合うよ
    うにその第二細孔性パッドを形成し; f)その第一及び第二パッドの末端が隣接するように、そ
    のインプラントのまわりにその第一細孔性パッド及び第
    二細孔性パッドを配置し; そして g)その第一細孔性パッドをその第二細孔性パッドに溶接
    するために、それらの末端に沿って溶接ビードを形成す
    る、を含んで成る方法。
  10. 【請求項１０】 インプラントが少なくとも1 の輪状の
    肩を含み、第一及び第二細孔性パッドが肩に隣接して横
    たわる、請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 第一及び第二細孔性パッドの前記端を
    インプラントの肩に溶接する段階を含む、請求項１０に
    記載の方法。
  12. 【請求項１２】 細孔性表面をもつ整形外科インプラン
    トの形成方法であって、以下の段階: a)整形外科インプラントを用意し; b)周囲をもつ細孔性表面を用意し、その細孔性表面が、
    実質的に固体層に付着された細孔性層を含み; c)その細孔性層をその整形外科インプラントの上に配置
    し; d)高エネルギー密度溶接ビームを作り出すことができる
    高エネルギー密度溶接装置を用意し; そして e)その細孔性層の周囲のまわりにその高エネルギー密度
    溶接ビームを照射することによりその細孔性層の周囲の
    まわりに溶接ビードを実質的に形成する、を含む方法。
  13. 【請求項１３】 段階b)が以下の段階: f)所定の形状をもつ薄い金属シートの形態において固体
    表面の層を用意し; g)所定の形状をもつ細孔性層を用意し; h)その薄い金属シートに接するようにその細孔性材料を
    置き; そして i)その薄い金属シートにその細孔性層を結合させて結合
    構造を形成する;を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 以下の段階: j)前記結合構造からパッドを切断し、そのパッドの片側
    が固体表面層をもち、そしてそのパッドの他の側が細孔
    性である、を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 薄い金属シートの一部が細孔性材料を
    超えて延びるように、その薄い金属シートの所定の形状
    が、その細孔性材料の所定の形状よりも大きい、請求項
    １３に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 その一部がその細孔性材料の外周囲端
    に隣接するように、細孔性層を超えて延びた薄い金属シ
    ートの一部を約90°において曲げる段階をさらに含む、
    請求項１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 段階e)が以下の段階: k)前記ビームが、一定量の粉末を溶かし、そして細孔性
    材料の周囲端に隣接する溶けた粉末をデポジットするよ
    うに、一定量の粉末金属を、高エネルギー密度ビーム中
    に導入する、を含む、請求項１２に記載の方法。
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