WO2011063798A2 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines gepulsten anisothermen atmosphärendruck-plasmas - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines gepulsten anisothermen atmosphärendruck-plasmas Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for producing a pulsed (intermittent), cold, atmospheric pressure plasma, preferably a thread, for the precise antimicrobial plasma treatment (sterilization, disinfection, sterilization, decontamination) smallest surfaces and cavities, too on living human and animal bodies, preferably in the field of medicine, by means of a negative DC corona discharge with at least one electrode for generating high field strengths, which is traversed by the gas to be ionized in a gas passage, wherein as a counter electrode to be treated, electrically conductive structure (area, cavity) is used.
  • This plasma can generally also be used for cleaning, coating, activation and for etching surfaces.
  • Anisothermal plasmas at atmospheric pressure have been used for some time for the treatment of surfaces for the purpose of surface activation, etching, polymerization, layer deposition, cleaning and microbial reduction.
  • a number of plasma arrays have been developed, for example, on the basis of a dielectrically impeded discharge [M.Laroussi IEEE Trans Plasma Sei 24 (1996), 1188-1191], an arc discharge [DE 195 32 412 C2], a Corona discharge [M. Laroussi et al IEEE Trans Plasma, 28 (2000), 184-188] or an RF or Microwave Excited Jet [HW Herrmann et al. Phys. Plasma 6 (1999), 2284-2289, BJ Park et al Phys. Plasma 10 (2003), 4539-4544] work. Without significant increase in gas temperature, these anisothermal plasmas can enhance chemical and biochemical reactions.
  • the probe is connected via an electrical connection (wire) to the negative pole of the DC voltage source.
  • the positive pole is either grounded and / or connected to the patient to be treated.
  • the expansion of the plasma generated at the tip is below one millimeter.
  • the doctor leads in the treatment of the probe to a preferred distance of 6mm to the body to be decontaminated.
  • DENTRON has launched a device called "Biogun.”
  • the disinfecting effect is then to be effected by the superoxide anion radical O 2 " .
  • the corona discharge generated at the tip most likely leads to the generation of a (known from physics) ion wind, which transports the radical to the desired location.
  • the prior art also includes the documents DE 10 2008 008 614A1 and WO2009 / 101143 AI. It describes methods and apparatus for treating living cells by means of a cold atmospheric pressure plasma with simultaneous selective electroporation of the cells for local selective killing of cancer cells, improvement of wound treatment and improved plasma antimicrobial activity.
  • RF-excited plasmas for many years for coagulation (argon plasma coagulation: US 4060088 A, US 4781175 A, DE 102008004843 A, EP 1148770 A) or used for high-frequency surgery.
  • the alternating current generated by a high-frequency generator is passed through the human body at high frequency via the resulting plasma in order to selectively damage tissue, to cut and at the same time to achieve a hemostasis by occluding the affected vessels.
  • the necessary high-frequency powers are in the range between 50W (dentistry or ophthalmology) and a maximum of 400 W. Due to the high energy input required for these processes, these devices are therefore not suitable for decontamination of thermolabile surfaces.
  • the disadvantage of the solutions described in the prior art is not only that the plasmas have a very small extent, but also that costly generators are needed and too high plasma temperatures are generated, the not suitable for thermolabile surfaces.
  • the plasma generates such a high current through the body of the patient, which leads to nerve stimulation (faradization) and the production of pollutants and thus is not medically applicable without special measures (narcosis, discharge of pollutants).
  • the object of the invention was to eliminate the disadvantages of the solutions mentioned in the prior art.
  • a negative DC corona discharge with a simple dc high voltage supply and having at least one electrode for generating high field strengths, preferably in the range of 5kV / cm-10kV / cm, of the gas to be ionized flows through or in a gas channel, wherein as the counter electrode to be treated, electrically conductive object (surface, cavity, human, animal, plant) acts.
  • a pulsating plasma thread with a diameter of about 30 ⁇ and a length of 1cm is generated.
  • argon as a process gas with a flow rate of 0.5 slm at a DC voltage of 10kV-14kV pulse currents of 400mA up to 1.4 A are generated with half-value widths of 20ns and a frequency of 1-3 kHz. This would then correspond to average power of 0.16 W or 0.56 W with average currents of 16 ⁇ or 40 ⁇ . With these low powers or currents occurs when applied to the human body little or no warming and no Nerve stimulation (faradization) on.
  • the generated ozone concentration is minimal (at least two to three times smaller than the former MAK value of 0.1 ppm). Due to the length of the plasma of about 1 cm, it is possible for the user to bring the plasma directly into contact with the contaminated object.
  • the length of the plasma is mainly determined by the gas flow rate and the level of applied high voltage. The invention will be explained below with reference to Figures 1-3, without limiting the invention to these examples.
  • FIG. 1 shows schematically the basic structure of the device.
  • a housing (8) made of a non-conductive material, a current-limiting resistor (5) and a high-voltage electrode (2), similar to an injection cannula of a syringe, arranged in a gas channel (7), that the process gas (4) the gas channel (11 ) flows through the electrode (2).
  • the resistor (5) is connected to the negative pole of a high-impedance DC power supply (6).
  • the positive pole like the electrode (3), is grounded.
  • an intermittent plasma thread is formed at the tip of the electrode (2), which is directed to the grounded electrode (3).
  • FIG. 2 shows a similar arrangement.
  • the high voltage electrode (2) has the shape of a needle and is flowed around by the process gas (4).
  • each electrode has a current-limiting resistor ( Figure 3).
  • this plasma can also be used directly for cosmetic or medical purposes on humans or animals ( Figure 4).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten (intermittierenden), kalten, Atmosphärendruck-Plasmas, vorzugsweise eines Fadens, zur punktgenauen antimikrobiellen Plasma-Behandlung (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation, Dekontamination) kleinster Flächen und Kavitäten, auch an lebenden menschlichen und tierischen Körpern, vorzugsweise im Bereich der Medizin, mittels einer negativen Gleichstrom-Korona-Entladung mit mindestens einer Elektrode zur Erzeugung hoher Feldstärken, die von dem zu ionisierenden Gas in einem Gaskanal durch- bzw. umströmt wird, wobei als Gegenelektrode das zu behandelnde, elektrisch leitfähige Gebilde (Fläche, Kavität) dient. Dieses Plasma ist generell auch einsetzbar zur Reinigung, Beschichtung, Aktivierung und zum Ätzen von Oberflächen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES GEPULSTEN ANISOTHERMEN ATMOSPHÄRENDRUCK-PLASMAS
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten (intermittierenden), kalten, Atmosphärendruck-Plasmas, vorzugsweise eines Fadens, zur punktgenauen antimikrobiellen Plasma-Behandlung (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation, Dekontamination) kleinster Flächen und Kavitäten, auch an lebenden menschlichen und tierischen Körpern, vorzugsweise im Bereich der Medizin, mittels einer negativen Gleichstrom-Korona-Entladung mit mindestens einer Elektrode zur Erzeugung hoher Feldstärken, die von dem zu ionisierenden Gas in einem Gaskanal durch- bzw. umströmt wird, wobei als Gegenelektrode das zu behandelnde, elektrisch leitfähige Gebilde (Fläche, Kavität) dient. Dieses Plasma ist generell auch einsetzbar zur Reinigung, Beschichtung, Aktivierung und zum Ätzen von Oberflächen.
Stand der Technik
[0002] Anisotherme Plasmen bei Atmosphärendruck werden bereits seit geraumer Zeit zur Behandlung von Oberflächen zum Zweck der Oberflächenaktivierung, des Ätzens, der Polymerisation, zur Schichtabscheidung, zur Reinigung sowie zur Keimreduzierung eingesetzt.
[0003] Dazu sind eine Reihe von Plasmaanordnungen entwickelt worden, die z.B. auf der Basis einer dielektrisch behinderten Entladung [M.Laroussi IEEE Trans Plasma Sei 24 ( 1996), 1188-1191], einer Bogenentladung [DE 195 32 412 C2], einer Koronaentladung [M. Laroussi et al IEEE Trans Plasma Sei 28 (2000), 184-188 ] oder eines HF-oder Mikrowellenangeregten Jets [HW Herrmann et al Phys Plasma 6 (1999), 2284-2289, BJ Park et al Phys Plasma 10 (2003), 4539-4544 ] funktionieren. Ohne wesentliche Erhöhung der Gastemperatur können diese anisothermen Plasmen chemische und biochemische Reaktionen verstärken. Die Elektronen in diesen Plasmen, deren Temperatur gegenüber den Schwerteilchen (Ionen, Neutrale) wesentlich höher ist, stoßen mit den Atomen und Molekülen des Prozessgases zusammen und verursachen dadurch Anregung, Ionisation und Dissoziation. Dabei entstehende reaktive, neutrale als auch geladene Teilchen reagieren so mit der zu behandelnden Oberfläche. [0004] Bedingt durch ihre antimikrobielle Wirksamkeit [R. Brandenburg et al Contrib. Plasma Phys 47 (2007), 72-79] und der Möglichkeit der Erzeugung kalter Plasmen (Raumtemperatur) sind diese Plasmen in letzter Zeit besonders attraktiv im Bereich der Medizin (Zahnmedizin) und Biomedizin zur Behandlung thermolabiler Gegenstände wie biologische Zellen und Gewebe geworden [I.E. Kieft et al IEEE Trans Plasma Sei 33 (2005) 771-775]. Um die Temperatur der Schwerteilchen, also des Grundgases, niedrig zu halten werden gepulste Plasmen mit sehr kurzen Stromimpulsen im ns-Bereich und Folgefrequenzen im kHz-Bereich erzeugt, so dass der mittlere Energieeintrag gering bleibt.
[0005] Im Beitrag von R.E.J. Sladek et al in IEEE Trans Plasma Sei 32 (2004) 1540-1543 wird eine„Plasma Needle" zur Behandlung der Zahnkaries beschrieben. Das an der Spitze eines angeschliffenen 0,3mm dicken Drahtes entstehende Plasma besitzt nur eine Ausdehnung von < 1 mm, was eine effektive (wirksame) antimikrobielle Dekontamination in z.B. Kavitäten (Wurzelkanal, Zahntaschen) im Mundraum erschwert. Der zur Generierung des Plasmas eingesetzte HF-Generator (13.56MHz) mit entsprechender Matchbox macht das ganze System relativ teuer.
[0006] Im Beitrag von C. Jiang et al in Plasma Process. Polym. 6 (2009), 479-483 wird eine „ Dental Probe" zur Desinfektion des Wurzelkanals von einem extrahierten Zahn beschrieben. Der 2,5 cm lange Helium/Sauerstoff- Jet wird mittels eines Hochspannungs-Impulsgenerators (6kV, Pulsweite 100ns, Pulsfolgefrequenz 1 kHz ) in einer Hohlelektroden- Anordnung erzeugt. Mittels SEM (Scanning Electron Microscopy) wird nachgewiesen, dass dieses kalte Plasma (< 35° C) in der Lage ist, im Wurzelkanal eine Desinfektion hervorzurufen (Biofilm abzubauen). Auch hier wird wieder der Einsatz eines kostspieligen Generators notwendig.
[0007] In der Patentschrift GB 2246955A wird ein Gerät zur Abtötung von Mikroorganismen beschrieben. Mittels einer DC-Hochspannungsversorgung (lOkV) wird an einer Sonde, bestehend aus einer spitzen Elektrode, eine strombegrenzte (ΙΟΟμΑ), negative Korona- Entladung an Luft erzeugt. Die darin gebildeten negativen Luftionen sollen dann eine Zerstörung der Mikroorganismen bewirken.
[0008] Die Sonde ist über eine elektrische Verbindung (Draht) mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Der positive Pol ist entweder geerdet und/oder mit dem zu behandelnden Patienten verbunden. Die Ausdehnung des an der Spitze erzeugten Plasmas liegt unterhalb von einem Millimeter.
[0009] Der Arzt fuhrt bei der Behandlung die Sonde bis auf einen bevorzugten Abstand von 6mm an die zu dekontaminierenden Stelle. [0010] Auf der Grundlage dieses Patentes hat die Firma DENTRON ein Gerät mit dem Namen„Biogun" auf den Markt gebracht. Die desinfizierende Wirkung soll danach durch das Superoxid-Anionenradikal 02 " bewirkt werden. Die an der Spitze erzeugte Korona-Entladung führt höchstwahrscheinlich zur Erzeugung (eines aus der Physik bekannten) Ionenwindes, der das Radikal zum gewünschten Ort transportiert.
[0011] Da die Entladung in Luft erzeugt wird, wird damit auch gleichzeitig Ozon gebildet, welches dann z.B. bei Patienten mit Bronchialerkrankungen durch einen Aspirator abgesaugt werden muss, was eine einfache Behandlung erschwert. Auch das sehr klein ausgedehnte Plasma lässt einen direkten Kontakt mit der kontaminierten Oberfläche nicht zu, was einen wesentlich effektiveren Desinfektionseffekt bewirken würde.
[0012] In der genannten Druckschrift GB 2246955A wird die negative Gleichstrom-Korona- Entladung genutzt, die in einer stationären Luftumgebung erzeugt wird. Die Elektrode befindet sich direkt an Luft und nicht in einem extra geschaffenen Gaskanal, deshalb auch die geringe Ausdehnung der Korona.
[0013] Zum Stand der Technik gehören auch die Druckschriften DE 10 2008 008 614A1 und WO2009/101143 AI. Darin werden Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung lebender Zellen mittels eines kalten Atmosphärendruckplasmas bei gleichzeitiger selektiver Elektroporation der Zellen zur lokalen, selektiven Abtötung von Krebszellen, der Verbesserung der Wundbehandlung und einer verbesserten antimikrobiellen Plasmawirkung beschrieben.
[0014] Im Bereich der Medizin werden spezielle, HF-angeregte Plasmen seit vielen Jahren zur Koagulation (Argon-Plasma-Koagulation: US 4060088 A, US 4781175 A, DE 102008004843 A, EP 1148770 A) bzw. zur Hochfrequenz-Chirurgie eingesetzt. Der von einem Hochfrequenzgenerator erzeugte Wechselstrom wird mit hoher Frequenz über das entstehende Plasma durch den menschlichen Körper geleitet, um Gewebe gezielt zu schädigen, zu schneiden und dabei gleichzeitig eine Blutungsstillung durch Verschluß der betroffenen Gefäße zu erreichen. Die dafür notwendigen Hochfrequenzleistungen liegen im Bereich zwischen 50W (Zahn-oder Augenheilkunde) und maximal 400 W. Bedingt durch den für diese Prozesse benötigten hohen Energieeintrag sind daher diese Geräte für eine Dekontamination thermolabiler Oberflächen nicht geeignet.
[0015] Der Nachteil der im Stand der Technik beschriebenen Lösungen besteht nicht nur darin, dass die Plasmen eine sehr geringe Ausdehnung haben, sondern auch darin, dass kostspielige Generatoren nötig sind und zu hohe Plasmatemperaturen generiert werden, die sich nicht für thermolabile Oberflächen eignen. Zum anderen wird durch das Plasma ein solch hoher Strom durch den Körper des Patienten erzeugt, das es zu Nervstimulation (Faradisation) und Erzeugung von Schadstoffen kommt und somit nicht ohne besondere Maßnahmen (Narkose, Ableitung der Schadstoffe) medizinisch anwendbar ist.
Aufgabe der Erfindung
[0016] Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die Nachteile der im Stand der Technik genannten Lösungen zu beseitigen.
Lösung der Aufgabe
[0017] Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
[0018] Erfindungsgemäß wurde eine einfache, preiswerte und handliche Vorrichtung für die Erzeugung eines gepulsten, kalten, fadenförmigen (Mikro-) Atmosphärendruck-Plasmas zur punktgenauen Modifikation (antimikrobiellen Dekontamination) kleinster Flächen und Kavitäten, auch an lebenden menschlichen und tierischen Körpern, bereit gestellt, die keine Irritationen hervorruft ( also mild ist) und einfach aufgebaut ist.
[0019] Dies wird erreicht durch die Erzeugung einer negativen Gleichstrom-Korona- Entladung mit einer einfachen dc-Hochspannungsversorgung und mit mindestens einer Elektrode zur Erzeugung hoher Feldstärken, vorzugsweise im Bereich von 5kV/cm-10kV/cm, die von dem zu ionisierenden Gas in einem Gaskanal durch- bzw. umströmt wird, wobei als Gegenelektrode das zu behandelnde, elektrisch leitfähige Objekt (Fläche, Kavität, Mensch, Tier, Pflanze) fungiert.
[0020] Durch entsprechende Wahl der Parameter, wie Gasart, Gasflussrate, Höhe der Versorgungsspannung wird ein pulsierender Plasmafaden mit einem Durchmesser von etwa 30μπι und einer Länge von 1cm generiert. Bei Verwendung von Argon als Prozessgas mit einer Flussrate von 0,5 slm werden bei einer Gleichspannung von 10kV-14kV Impulsströme von 400mA bis zu 1 ,4 A mit Halbwertsbreiten von 20ns und einer Frequenz von 1-3 kHz erzeugt. Das entspräche dann mittleren Leistungen von 0,16 W bzw. 0,56 W mit mittleren Strömen von 16μΑ bzw. 40μΑ. Bei diesen geringen Leistungen bzw. Strömen tritt bei Anwendung am menschlichen Körper keine oder nur geringe Erwärmung sowie keine Nervstimulation (Faradisation) auf. Bei Verwendung von Edelgasen ist die erzeugte Ozonkonzentration minimal (mindestens zwei bis dreimal kleiner als der ehemalige MAK- Wert von 0,1 ppm). [0021] Bedingt durch die Länge des Plasmas von etwa 1cm ist es dem Anwender möglich, das Plasma mit dem kontaminierten Objekt direkt in Kontakt zu bringen. Die Länge des Plasmas wird hauptsächlich durch die Gasflussrate und durch die Höhe der angelegten Hochspannung bestimmt. [0022] Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren 1-3 näher erläutert werden, ohne die Erfindung auf diese Beispiele zu beschränken.
Ausführungsbeispiele: [0023] Mit den nachfolgend in Fig.l bis Fig.3 dargestellten Zeichnungen wird die Erfindung detailliert erläutert. Für die Kennzeichnung der einzelnen Elemente werden folgende Bezugszeichen verwendet:
1 Plasma 2 Hochspannungselektrode
3 geerdete Elektrode 4 Prozessgas
5 hochohmiger Widerstand 6 hochohmige Gleichspannungsversorgung
7 Gaskanal 8 Gehäuse (isolierendes Material))
9 Kapillare 10 Vorrichtung
11 Gaskanal der Hochspannungselektrode
[0024] Figur 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung. In einem Gehäuse (8) aus einem nicht leitfähigem Material ist ein strombegrenzender Widerstand (5) und eine Hochspannungselektrode (2), ähnlich einer Injektionskanüle einer Injektionsspritze, so in einem Gaskanal (7) angeordnet, dass das Prozessgas (4) den Gaskanal (11) der Elektrode (2) durchströmt. Der Widerstand (5) ist mit dem negativen Pol einer hochohmigen Gleichspannungsversorgung (6) verbunden. Der positive Pol ist, genau wie die Elektrode (3), geerdet. Bei einer genügend hohen Spannung wird an der Spitze der Elektrode (2) ein intermittierender Plasmafaden erzeugt, der auf die geerdete Elektrode (3) gerichtet ist. Die Kapillare (9), bestehend aus einem temperaturbeständigen Material, bildet den Gaskanal (7). [0025] Figur 2 zeigt eine ähnliche Anordnung. Die Hochspannungselektrode (2) hat hier die Form einer Nadel und wird vom Prozessgas (4) umströmt.
[0026] Ebenso ist zur Hochskalierung eine Parallelschaltung mehrerer Elektroden möglich, wobei jede Elektrode einen strombegrenzenden Widerstand besitzt (Figur 3).
[0027] Bedingt durch die sehr kleinen Entladungsströme (< 50μΑ) kann dieses Plasma auch direkt für kosmetische oder medizinische Zwecke am Menschen oder Tier eingesetzt werden (Figur 4).
[0028] Um Aufladungen zu verhindern ist dann eine Erdung des Anwenders als auch des Probanden notwendig.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (10) für die Erzeugung eines kalten, gepulsten Atmosphärendruck-Plasmas auf einer elektrisch leitfähigen Fläche (3) mittels einer intermittierenden, negativen Gleichstrom-Korona-Entladung, umfassend ein isolierendes Gehäuse (8) mit mindestens einer für die Erzeugung hoher Feldstärken geeigneten Hochspannungselektrode (2), die in einem Gaskanal (7) angeordnet ist und von dem zu ionisierenden Gas (4) in einem Gaskanal der Hochspannungselektrode (11) durch- oder in einem Gaskanal (7) umströmt wird und mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsversorgung (6) elektrisch verbunden ist, während der positive Pol geerdet ist, wobei als Gegenelektrode die zu behandelnde Fläche dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Atmosphärendruck-Plasma um einen Plasma-Faden (1) handelt, dessen Länge vorzugsweise 1 cm und dessen Durchmesser vorzugsweise 30μηι beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungselektrode (2) in einem sie umgebenden Gaskanal (7) angeordnet ist und a) eine einzelne angeschliffene Elektrode mit einem Innenkanal (11) ist oder b) eine einzelne nadeiförmige Elektrode ist, die vom Gas umströmt wird oder c) mehrere solcher Elektroden gemäß a) oder b) als Hochspannungselektrode (2) dienen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungselektrode (2) über einen vorzugsweise hochohmigen strombegrenzenden Widerstand (5) mit dem negativen Pol der vorzugsweise hochohmigen Gleichspannungsversorgung (6) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hochohmige, strombegrenzende Widerstand (5) Bestandteil der Hochspannungselektrode (2) ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als zu ionisierenden Gas (4) Edelgase, Sauerstoff, Luft, Stickstoff oder beliebige Gemische aus den genannten Gasen dienen.
Verfahren zur Erzeugung eines kalten, gepulsten Plasma-Fadens auf einer elektrisch leitfähigen Fläche mittels einer intermittierenden, negativen Gleichstrom-Korona- Entladung mittels der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Plasma-Fadens durch die Gasflussrate und durch die Höhe der angelegten Hochspannung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Argon als Prozessgas mit einer Flussrate von 0,5 slm bei einer Gleichspannung von lOkV- 14kV Impulsströme von 400mA bis zu 1,4 A mit Halb wertsbreiten von 20ns und einer Frequenz von 1-3 kHz erzeugt werden.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur punktgenauen antimikrobiellen Plasma-Behandlung (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation, Dekontamination) kleinster Flächen oder Kavitäten.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Modifikation, Reinigung, Beschichtung, Aktivierung oder zum Ätzen von Oberflächen.
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