KR101725279B1 - 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리에스테르계 고분자를 에틸렌카보네이트(Ethylene carbonate)(이하 "EC"라 한다)와 디메틸설폭사이드(Dimethylsulfoxide)(이하 "DMSO"라 한다)의 혼합용매에 용해시켜 얻은 고분자용액을 혼합용매의 어는점 보다 낮은 온도의 탄화수소에 분사시켜 EC/DMSO/고분자를 포함하는 고형분을 수득한 후, 이 고형분을 물에 투입하여 상기 고형분으로부터 혼합용매를 제거함으로써 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법에 관한 것으로서, (1) EC와 DMSO를 포함하는 혼합용매에 고분자를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 고분자용액 제조단계; (2) 고분자용액 제조단계에서 수득되는 고분자용액을 상기 혼합용매의 어는점 이하의 온도의 액상 탄화수소에 투입하여 고형분을 제조하는 고형분 제조단계; 및 (3) 상기 고형분 제조단계에서 수득되는 고형분을 분리해내고, 분리된 고형분을 물에 투입하여 고형분 중의 혼합용매를 제거하는 용매제거단계;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법{Manufacturing method of polymeric microparticles having network structure}
본 발명은 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리에스테르계 고분자를 에틸렌카보네이트(Ethylene carbonate)(이하 "EC"라 한다)와 디메틸설폭사이드(Dimethylsulfoxide)(이하 "DMSO"라 한다)의 혼합용매에 용해시켜 얻은 고분자용액을 혼합용매의 어는점 보다 낮은 온도의 탄화수소에 분사시켜 EC/DMSO/고분자를 포함하는 고형분을 수득한 후, 이 고형분을 물에 투입하여 상기 고형분으로부터 혼합용매를 제거함으로써 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법에 관한 것이다.
다공성 생분해성 고분자 미세입자는 약물전달체계(Drug Delivery System) 및 조직재생을 위한 지지체(Scaffold)로서 널리 이용되고 있다. 이러한 고분자 미세입자는 다공성이 요구되고 있으며, 특히 입자 내부구조가 망상구조를 갖게 함으로서 입자의 강도가 증가될 뿐 아니라, 세포 부착성이 좋아 세포운반체, 세포배양체 및 조직재생용 주사제로 활용이 유망하고, 약물방출시스템을 설계함에 있어 장점으로 작용된다.
현재 사용되는 주사용 미세입자 제조방법은 유화-용매 증발법(Emulsification-Solvent Evaporation Method)이다. 그 중 수중유중수형(W/O/W type) 이중 유화방법은 두 번의 유화단계를 거치는데, 첫 번째 유화단계인 유중수(W/O) 유화액의 안정성에 따라 다공성 구조가 결정된다. 유화액은 열역학적으로 불안정한 상태이기 때문에 뭉침(Coalescence), 융합(Fusion), 상분리(Creaming) 등의 과정을 거쳐 수상과 유기상이 서로 분리되려고 하기 때문에 제조가 어려운 단점이 있다(문헌 M. Kanouni, H. L. Rosano, N. Naouli, Adv. Colloid Interface Sci. 99 (2002) 229-254; A. J. Webster, M. E. Cates, Langmuir, 14 (1998) 2068-2079 참조).
또한 지방족 폴리에스테르 고분자를 녹인 유기상에 발포성 염을 녹인 수용액을 첨가하여 유중수 유화액을 형성하고, 친수성 계면활성제를 포함하는 수용액에 재분산, 유화시키는 수중유중수형 이중 유화단계를 포함하는 미립 담체 제조방법이 있다(대한민국 특허 제801194호 참조). 상기 미립담체는 생분해성, 높은 공극율, 공극간 우수한 상호 연결성 등의 특성을 가지고 있으나, 기계적 강도가 약하고, 양산공정이 어려운 문제점을 가지고 있다.
최근에 개발된 생분해성 고분자 미세입자 제조방법으로는 생분해성 고분자를 DMSO(Dimethyl Sulfoxide)에 용해시킨 후, 저온의 탄화수소 용액에 분사시켜 DMSO/고분자용액을 냉동시킨 후 저온의 염 수용액에서 DMSO를 제거함으로서 생분해성 고분자 미세입자를 제조하는 방법이 있다(대한민국 특허 제1105292호 참조).
또한 생분해성 고분자 용매로서 DMSO 대신에 EC(Ethylene Carbonate)를 사용함으로써 '요(凹)'자 형상의 미세입자를 제조하는 방법이 개발되었다(대한민국 특허 제10-1481441호 참조). 이와 같이 제조된 미세입자는 다공성을 가지고 있으나, 미세입자의 내부구조를 보면 내부는 텅 비어 있고, 표면에만 고분자 층이 형성되어 있다.
따라서, 조직재생 지지체용 미세입자로서 활용하기 위해서는 미세입자의 내부구조가 망상구조를 갖게 하여 세포 부착성을 높임으로서 조직재생효과를 극대화 할 수 있는 미세입자 개발이 필요하게 되었다.
이에 본 발명자는 기존의 미세입자 제조과정 중 입자생성 단계를 연구하던 중 EC/DMSO 혼합용매에 녹은 생분해성 폴리에스테르계 고분자 미세용액 방울이 저온의 탄화수소에서 냉동될 때 미세용액 내부에 녹아 있는 고분자가 망상구조로 고체화하는 현상을 발견함으로서 세포부착능력이 극대화된 고분자 미세입자를 제조할 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법은, (1) EC와 DMSO를 포함하는 혼합용매에 고분자를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 고분자용액 제조단계; (2) 고분자용액 제조단계에서 수득되는 고분자용액을 상기 혼합용매의 어는점 이하의 온도의 액상 탄화수소에 투입하여 고형분을 제조하는 고형분 제조단계; 및 (3) 상기 고형분 제조단계에서 수득되는 고형분을 분리해내고, 분리된 고형분을 물에 투입하여 고형분 중의 혼합용매를 제거하는 용매제거단계;를 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면 망상구조를 갖는 고분자 미세입자를 80% 이상의 수율로 제조할 수 있다. 상기 고분자 미세입자는 20 내지 1,000㎛의 직경을 갖는 구형 입자이었으며, 이는 고분자용액의 분사 시 분사량 및 분사공기의 양에 따라 조절될 수 있으며, 고분자 미세입자의 다공도는 고분자용액의 고분자 농도에 의해 조절될 수 있다.
따라서 본 발명은 생체적합성, 생분해성, 다공성 뿐만 아니라 입자 내부구조가 망상구조를 갖도록 함으로써, 우수한 세포 운반체 및 세포배양체로 사용이 가능하며, 주사기로 주입할 수 있어, 생체 내에 주입하여 손상된 조직을 복원시키는 우수한 조직재생용 세포 전달체로 유용하게 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 혼합용매의 혼합비율에 따라 어는점이 달라지는 것을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자 미세입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다(X 1,300; 혼합용매: EC/DMSO = 80/20).
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 고분자 미세입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다(X 1,400; 혼합용매: EC/DMSO = 70/30).
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 고분자 미세입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다(X 1,500; 혼합용매: EC/DMSO = 50/50).
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 고분자 미세입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다(X 2,000; 혼합용매: EC/DMSO = 30/70).
도 6은 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 고분자 미세입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다(X 1,000; 혼합용매: EC/DMSO = 20/80).
도 7은 종래의 방법(비교예 1)에 따라 제조된 고분자 미세입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다(X 1,500; 용매: DMSO = 100).
도 8은 종래의 방법(비교예 2)에 따라 제조된 고분자 미세입자를 전자현미경으로 관찰한 사진이다(X 1,500; 용매: EC = 100).
이하 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법은, (1) EC와 DMSO를 포함하는 혼합용매에 고분자를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 고분자용액 제조단계; (2) 고분자용액 제조단계에서 수득되는 고분자용액을 상기 혼합용매의 어는점 이하의 온도의 액상 탄화수소에 투입하여 고형분을 제조하는 고형분 제조단계; 및 (3) 상기 고형분 제조단계에서 수득되는 고형분을 분리해내고, 분리된 고형분을 물에 투입하여 고형분 중의 혼합용매를 제거하는 용매제거단계;를 포함함을 특징으로 한다.
보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법은, (1) EC와 DMSO를 포함하는 혼합용매에 고분자를 용해시켜 고분자용액(고분자/EC/DMSO를 포함하는 용액)을 제조하는 고분자용액 제조단계; (2) 고분자용액 제조단계에서 수득되는 고분자용액을 -20 내지 0℃의 온도의 탄소수 5 내지 10(C5 내지 C10)의 액상 탄화수소에 분사하여 동결된 고형분을 제조하는 고형분 제조단계; 및 (3) 상기 고형분 제조단계에서 수득되는 고형분을 분리해내고, 분리된 고형분을 0 내지 4℃의 증류수에 투입하여 고형분 중의 혼합용매를 제거하는 용매제거단계;를 포함함을 특징으로 한다.
상기 고분자는 바람직하게는 중량평균분자량이 10,000 내지 250,000인 생분해성 폴리에스테르계 고분자, 보다 바람직하게는 폴리락트산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리(D,L-락트산-코-글리콜산)(PLGA: Poly(D,L-lactic-co-glycolic acid), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리(발레로락톤), 폴리(하이드록시부티레이트) 및 폴리(하이드록시발러레이트)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 생분해성 폴리에스테르계 고분자일 수 있다.
상기 혼합용매는 EC : DMSO의 혼합비가 중량비로 90 : 10 내지 10 : 90의 범위 이내, 보다 바람직하게는 80 : 20 내지 20 : 80의 범위 이내, 가장 바람직하게는 70 : 30 내지 30 : 70의 범위 이내인 혼합용매일 수 있다.
상기 탄화수소는 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 옥탄(octane), 노난(nonane), 데칸(decane) 및 석유에테르(petroleum ether)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 고분자, 바람직하게는 생분해성 폴리에스테르계 고분자는 지방족 폴리에스테르계 고분자로서, 이에 한정되지 않으나, 폴리락트산(Polylactic acid: PLA), 폴리글리콜산(Polyglycolic acid: PGA), 폴리(D,L-락트산-코-글리콜산)(PLGA: Poly(D,L-lactic-co-glycolic acid)), 폴리(발레로락톤), 폴리(하이드록시부티레이트), 폴리(하이드록시발러레이트) 또는 이들의 유도체일 수 있으며, 단독 또는 2 성분 이상의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 PLA, PGA, PLGA 또는 이들의 혼합물이며, 보다 바람직하게는 PLA, PLGA 이다. 이들은 고분자로서 평균 분자량(중량평균분자량)이 10,000 내지 250,000인 것이 바람직하다. 하지만 본 발명의 생분해성 고분자 미세입자의 제조방법은 구형의 미세입자를 쉽게 제조할 수 있는 특징과 미세입자의 크기를 쉽게 제어할 수 있는 특징을 갖고 있으므로, 평균분자량에 의해 미세입자 크기의 제어가 제한되지 않는다.
상기 고분자는 고분자용액으로 제조되며, 이때, 상기 고분자를 1 내지 25w/v%(중량/용적%)의 농도가 되도록 EC/DMSO 혼합용매에 용해시켜 다양하게 조절하여 사용할 수 있으며, 이러한 농도 조절을 통해 제조되는 고분자 미세입자의 공극율을 조절할 수 있다. 고분자용액의 농도가 1w/v% 미만인 경우, 미세입자의 기계적 강도가 약해 실용성이 떨어지고, 25w/v% 초과인 경우, 점도가 너무 높아 섬유상(fiber)이 형성되는 등 효율성이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 고분자를 용해시키기 위해 사용되는 혼합용매는 EC(Ethylene carbonate, 어는점 37℃)와 DMSO(Dimethylsulfoxide, 어는점 18℃)를 혼합시킨 것으로서, 상기 혼합용매의 어는점은 혼합비율에 따라 달라지며(도 1 참조), 혼합용매의 어는점은 지방족 폴리에스테르계 고분자 미세입자의 구조형성에 중요한 요소로 작용할 수 있다. 고분자/EC/DMSO를 포함하는 고분자용액이 미세용액입자 형태로 냉각된 액상 탄화수소 내로 분사될 때, 고분자용액 중의 고분자가 고형화(고체화)하는 속도와 액상 탄화수소 내에서의 고분자의 이동속도 및 EC/DMSO 혼합용매의 어는 속도 등 복합적인 인자로 인하여 고분자 미세입자의 내부구조가 망상구조를 갖게 된다. 망상형 내부구조를 갖도록 하는 바람직한 혼합용매는 EC : DMSO의 혼합비가 중량비로 90 : 10 내지 10 : 90의 범위 이내, 바람직하게는 80 : 20 내지 20 : 80의 범위 이내, 보다 바람직하게는 70 : 30 내지 30 : 70의 범위 이내인 혼합용매이다.
본 발명에서의 액상 탄화수소는 바람직하게는 상기 혼합용매의 어는점에서도 얼지 않아 상기 고분자/EC/DMSO를 포함하는 고형분과 상분리가 될 수 있는 탄소수 5 내지 10(C5 내지 C10)의 탄화수소, 예를 들어, 펜탄(Pentane), 헥산(Hexane), 헵탄(Heptane), 옥탄(Octane), 노난(Nonane), 데칸(Decane), 석유에테르(Petrolum ether)와 같은 포화 탄화수소 및 이들의 혼합물이며, 바람직하게는 휘발성이 좋은 n-헥산(n-hexane)을 사용하는 것이 좋다. n-헥산의 높은 휘발성으로, 최종적으로 건조과정에서 쉽게 제거될 수 있다. 탄소수 5 미만의 탄화수소는 휘발성이 너무 커서 제조상 어려움이 있고, 탄소수 10 이상의 탄화수소는 실용성이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다. 탄화수소 용액의 온도는 혼합용매의 동결을 위하여 상기 혼합용매의 융점 미만의 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 EC/DMSO 혼합용매의 동결 및 미세입자의 형성을 원활히 하기 위하여 -20 내지 0℃, 가장 바람직하게는 -15 내지 -10℃인 것이 좋다.
상기한 바와 같이 제조되고, 저온의 액상 탄화수소로부터 상분리되는 고형분을 상기 액상 탄화수소로부터 분리하고, 이를 물에 첨가하여 EC/DMSO를 제거하고 세척하여, 미세입자 내부에 망상구조가 생성된 고분자 미세입자를 수득할 수 있게 되며, 수득된 고분자 미세입자는 추가로 물, 바람직하게는 증류수에 투입되어 세척되어 잔류하는 혼합용매 및 불순물들을 제거하고, 추가로 건조, 바람직하게는 동결건조될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 비교예
실시예 1. 중량평균분자량이 110,000인 폴리락트산(PLA) 3.5g을 50㎖의 EC/DMSO(8/2) 혼합용매에 용해시켜 7W/V% 고분자용액을 제조하였다. -15℃로 냉각된 n-헥산(n-hexane)에 상기 고분자용액을 분사량 5㎖/분, 분사 공기의 양 5ℓ/분의 조건으로 분사하였다. 이때, 분사된 고분자 용액은 저온의 n-헥산에서 구형으로 냉동된다.
냉동된 미세입자를 수득하여 이를 냉각(0 내지 4℃)된 증류수에 투입하고 교반시켜 혼합용매 즉, EC 및 DMSO를 제거하여 고분자 미세입자를 수득하였다. 이를 다시 500㎖ 증류수로 세척하여 잔류 EC, DMSO를 제거한 다음, 동결건조하여 본 발명의 고분자 미세입자를 수득하였다.
실시예 2. EC/DMSO(8/2) 혼합용매를 EC/DMSO(7/3) 혼합용매로 대체한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하여 고분자 미세입자를 수득하였다.
실시예 3. EC/DMSO(8/2) 혼합용매를 EC/DMSO(5/5) 혼합용매로 대체한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하여 고분자 미세입자를 수득하였다.
실시예 4. EC/DMSO(8/2) 혼합용매를 EC/DMSO(3/7) 혼합용매로 대체한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하여 고분자 미세입자를 수득하였다.
실시예 5. EC/DMSO(8/2) 혼합용매를 EC/DMSO(2/8) 혼합용매로 대체한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하여 고분자 미세입자를 수득하였다.
비교예 1. 평균분자량이 110,000인 폴리락트산(PLA) 3.5g을 50㎖ DMSO(DMSO 단독)에 용해시켜 7w/v% 고분자용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하여 고분자 미세입자를 수득하였다.
비교예 2. 평균분자량이 110,000인 폴리락트산(PLA) 3.5g을 50㎖ EC(EC 단독)에 용해시켜 7w/v% 고분자용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하여 고분자 미세입자를 수득하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 2에서 수득된 각각의 고분자 미세입자의 특성을 확인하기 위하여 제조된 고분자 미세입자를 대상으로 미세입자의 형태 및 제조수율을 측정하였다. 이때, 미세입자의 형태는 전자현미경 사진을 촬영하여 측정하였고, 제조수율은 투입된 고분자의 양 대비 최종적으로 수득된 미세입자의 양을 측정하여 계산하였다.
그 결과, 도 2 내지 8(도 2 - 실시예 1, 도 3 - 실시예 2, 도 4 - 실시예 3, 도 5 - 실시예 4, 도 6 - 실시예 5, 도 7 - 비교예 1, 도 8 - 비교예 2) 및 하기 표 1에 나타난 바와 같이, DMSO, EC 단독용매에 용해시킨 고분자용액으로부터 제조된 미세입자(비교예 1, 2)의 내부구조는 빈 공간을 가지나(도 7, 8 참조), 본 발명에 따라 EC/DMSO 혼합용매에 용해시킨 고분자용액으로부터 제조된 구형 고분자 미세입자들의 내부구조들은 망상구조를 이룸을 확인할 수 있었다(도 2 내지 도 6 참조). 즉, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 미세입자는 주사기를 통하여 체내에 주사하기 적합한 크기이었으며, 미세입자의 내부 망상구조는 세포부착을 용이하게 함으로써 세포운반체, 세포배양체 및 조직재생용 세포전달체로 더욱 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단되었다.
용매 미세입자
내부구조
미세입자
크기(㎛)
수율(%)
DMSO EC
비교예 1 100 0 빈 공간


20 내지 150
82
비교예 2 0 100 80
실시예 1 80 20

망상구조
83
실시예 2 70 30 85
실시예 3 50 50 81
실시예 4 30 70 82
실시예 5 20 80 83
본 발명은 구형 및 내부 망상구조를 갖은 생분해성 고분자 미립 담체를 주사기로 주사할 수 있는 고분자 미세입자 제조 방법을 제공하는 유용한 발명임을 알 수 있다. 특히 내부 망상구조를 갖는 미세입자는 세포 부착력을 향상시킬 것으로 기대되는바 세포전달체로의 활용을 통한 바이오 산업에 기여할 것으로 판단된다.
(도면 부호 없음)

Claims (8)

  1. (1) EC와 DMSO를 포함하는 혼합용매에 고분자를 용해시켜 고분자용액을 제조하는 고분자용액 제조단계;
    (2) 고분자용액 제조단계에서 수득되는 고분자용액을 상기 혼합용매의 어는점 이하의 온도의 액상 탄화수소에 투입하여 고형분을 제조하는 고형분 제조단계; 및
    (3) 상기 고형분 제조단계에서 수득되는 고형분을 분리해내고, 분리된 고형분을 물에 투입하여 고형분 중의 혼합용매를 제거하는 용매제거단계;
    를 포함함을 특징으로 하는 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자가 중량평균분자량이 10,000 내지 250,000인 생분해성 폴리에스테르계 고분자임을 특징으로 하는 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고분자가 폴리락트산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리(D,L-락트산-코-글리콜산)(PLGA: Poly(D,L-lactic-co-glycolic acid), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리(발레로락톤), 폴리(하이드록시부티레이트) 및 폴리(하이드록시발러레이트)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 생분해성 폴리에스테르계 고분자임을 특징으로 하는 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합용매가 EC : DMSO의 혼합비가 중량비로 90 : 10 내지 10 : 90의 범위 이내인 혼합용매임을 특징으로 하는 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화수소가 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 옥탄(octane), 노난(nonane), 데칸(decane) 및 석유에테르(petroleum ether)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나임을 특징으로 하는 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법.
  6. 삭제
  7. (1) EC와 DMSO를 포함하는 혼합용매에 고분자를 용해시켜 고분자용액(고분자/EC/DMSO를 포함하는 용액)을 제조하는 고분자용액 제조단계;
    (2) 고분자용액 제조단계에서 수득되는 고분자용액을 -20 내지 0℃의 온도의 탄소수 5 내지 10(C5 내지 C10)의 액상 탄화수소에 분사하여 동결된 고형분을 제조하는 고형분 제조단계; 및
    (3) 상기 고형분 제조단계에서 수득되는 고형분을 분리해내고, 분리된 고형분을 0 내지 4℃의 증류수에 투입하여 고형분 중의 혼합용매를 제거하는 용매제거단계;
    를 포함함을 특징으로 하는 망상구조를 갖는 고분자 미세입자의 제조방법.
  8. 삭제
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