CN114984299B - 一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料及其制备方法 - Google Patents
一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料及其制备方法。通过将含环氧基团的成胶骨架与含氨基的超支化聚赖氨酸‑二氧化锰纳米片复合物交联，结合促一氧化氮合成药物，制备出具有抗菌、活性氧清除、氧气供给和释药的多功能可注射水凝胶。通过超支化聚赖氨酸和二氧化锰纳米片的静电复合，解决了二氧化锰在生理环境中稳定性差的问题。水凝胶的体外表征验证了其具有良好的抗菌性能，且在清除二苯代苦味肼基自由基、过氧化氢、羟基自由基、超氧阴离子等活性氧或自由基方面均有优异的表现。本发明公开的水凝胶敷料可用于治疗II型糖尿病患者创面，可帮助糖尿病感染创面从炎症期稳步地过渡到增殖期，加速创面的有序修复。
Description
技术领域
本发明涉及医用水凝胶敷料技术领域，具体涉及一种用于治疗糖尿病患者创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料及其制备方法。
背景技术
随着人类寿命的延长和生活水平的提高，糖尿病的发病率逐年增加，而且II型糖尿病的发病呈现年轻化趋势。临床上，糖尿病患者由于免疫系统紊乱，抵御细菌感染的能力变弱，在各损伤处都更易受到感染。由于糖尿病患者的皮肤创面具有潮湿高糖的特征，为细菌的滋生提供了良好场所，皮肤创面感染问题最严重，是诱发糖尿病足的重要因素之一。中性粒细胞是在炎症早期抵抗感染的最重要的免疫细胞之一。然而糖尿病患者由于长期处于高血糖诱发的全身性慢性炎症中，中性粒细胞受到长期的压力，其在功能上往往有较大缺陷，无法发挥出应有的免疫功能。相比于普通感染创面，糖尿病感染创面的微环境更加复杂，除了高水平活性氧引起的氧化应激外，还伴随着糖尿病特异性高表达的促炎因子(如肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β、白细胞介素-6等)、缺氧、营养不足、一氧化氮合成受阻等。皮肤创面的愈合包括止血、炎症、增殖和重塑四个过程，缓慢的炎症过程阻碍了从炎症期到后续增殖期和重塑期的正常过渡，进一步诱发难以愈合的慢性伤口的产生。
越来越多的研究证明，抗氧化水凝胶可通过调节创面的活性氧水平来缓解炎症发展，是护理糖尿病患者创面最理想也是最有潜力的敷料，而兼具抗菌和抗氧化功能的水凝胶可以有效预防感染引起的过度炎症。实现消除活性氧的功能需要用到抗氧化酶，但酶类物质非常容易失活，对制备和应用条件要求苛刻。而无机材料二氧化锰纳米酶可以模拟多种抗氧化酶的功能，如过氧化氢酶和超氧化物歧化酶，是一种理想的抗氧化酶代替物。二氧化锰可以制成各种纳米级形态，如纳米棒、纳米片、纳米球、纳米颗粒等，其中超薄的二维纳米片因其制备方法简易、比表面积大、氧化还原能力强、环境和生物相容性好，而引起广泛关注。
当前已有部分用于糖尿病患者创面的水凝胶敷料可以做到同时兼顾抗菌和抗氧化，但对于糖尿病患者创面缺氧、一氧化氮合成受阻等难题依然没有解决办法。若在水凝胶敷料中加入促产生氧气的功能物质，将溶解氧有效输送到糖尿病伤口，缓解因抗氧化酶合成速度与活性氧产生速度不匹配而引起的局部缺氧状况，可进一步促进糖尿病皮肤创面的有序愈合。二氧化锰纳米酶便可以实现这一功能，这是由于二氧化锰纳米酶能够在清除活性氧的同时产生氧气。然而，纳米级的二氧化锰在生理环境中稳定性不佳，在离子作用下易发生聚集。且二氧化锰用量不恰当时，容易引起细胞毒性。增加二氧化锰稳定性并避免毒性是纳米酶领域继续解决的问题。
相似的，解决糖尿病患者创面一氧化氮合成受阻的问题也可以通过向水凝胶敷料中加入可促进一氧化氮合成的药物来实现，然而现有的水凝胶敷料缺乏对这一手段的探索。
此外，糖尿病患者创面往往形状复杂，且感染后若不能在早期得到及时治疗，容易蔓延到深部组织，甚至深入骨骼，这对水凝胶敷料的应用形式提出了更高要求，即需要具备可涂抹性。而大多能够实现抗菌抗氧化的水凝胶敷料是以块状形式存在的，不能够适应糖尿病患者创面的复杂形状和深度，无法实现对整个创面的有效覆盖和保护。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料及其制备方法。该水凝胶敷料由包含甲基丙烯酸缩水甘油酯的成胶骨架聚合物中的环氧基团与超支化聚赖氨酸和二氧化锰纳米片的静电络合物中的氨基发生开环反应交联得到，具有高效广谱抗菌、活性氧消除、供氧、释药促一氧化氮合成、可涂抹的特性，以应对糖尿病感染创面复杂的组织微环境，促进糖尿病患者创面的愈合。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案，一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料及其制备方法，包括如下步骤：
1)将甲基丙烯酸缩水甘油酯和其他成胶骨架单体溶于甲醇中，通氮气鼓泡除氧后，加入偶氮二异丁腈引发剂，50-80℃下加热回流8-24小时。反应结束后用冰乙醚沉淀、离心后得到粗产物。将粗产物在甲醇-冰乙醚体系中多次重复溶解-沉淀过程，去除杂质。最后通过旋蒸和真空干燥充分除去溶剂，得到成胶骨架聚合物。
2)将十二烷基硫酸钠和硫酸加入到水中，搅拌并加热至95℃，加热10-20分钟后，将高锰酸钾滴加到反应液中，继续加热1小时左右。当反应体系从紫色变为无色，并有棕色沉淀颗粒产生时，停止反应。通过离心收集二氧化锰沉淀，并用水反复洗涤。通过超声对二氧化锰粉末进行分散。将二氧化锰粉末加入到水中，超声3-6小时得到棕色悬浮液，即为二氧化锰纳米片分散液。
3)将超支化聚赖氨酸溶液与步骤2)中制备的二氧化锰纳米片分散液等体积混合并超声20-60分钟。将混合溶液离心，弃除底部沉淀，收集上层液体并进一步离心以获得超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液。
4)将需负载的药物混入步骤3)中制备的超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液中，随后加入步骤1)中制备的成胶骨架聚合物并使其充分溶解，随后在37℃下反应10-24小时，得到用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料。
进一步地，所述步骤1)中其他成胶骨架单体为聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯酸中的至少一种。
进一步地，所述步骤1)中甲基丙烯酸缩水甘油酯和其他成胶骨架单体的投料摩尔比为1:1-1:3，单体总浓度为5-10mg/mL；所述引发剂偶氮二异丁腈摩尔量占单体总摩尔量的1～15％。
进一步地，所述步骤2)中十二烷基硫酸钠、硫酸和高锰酸钾的浓度分别为5-20mmol/L、1-10mmol/L、0.1-1mmol/L。
进一步地，所述步骤2)中二氧化锰纳米片分散液的浓度为0.5-10mg/mL。
进一步地，所述步骤3)中超支化聚赖氨酸分子量为2-10kDa，溶液浓度为20-200mg/mL，混合后超支化聚赖氨酸和二氧化锰纳米片浓度分别为10-100mg/mL、0.25-5mg/mL。
进一步地，所述步骤4)中需负载的药物为普伐他汀钠、积雪草苷、表儿茶素及其他茶多酚中的至少一种，浓度为0.5-5mg/mL。
进一步地，所述步骤4)中成胶骨架溶液浓度为0.01-0.5mg/mL。
进一步的，采用本发明方法制得的抗菌抗氧化水凝胶敷料，可直接作为糖尿病患者创面治疗药物或者混入药学上可接受的辅料后涂抹于创面。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明提供的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料，负载有超支化聚赖氨酸，含有大量氨基，可以通过破坏细菌细胞膜、DNA以及提升细菌内活性氧水平达到抑菌、杀菌的效果。且超支化聚赖氨酸安全无毒。
2.本发明提供的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料，通过负载的二氧化锰纳米片，可以在实现消除过氧化氢、超氧阴离子、羟基自由基等活性氧的同时释放氧气，并且通过二氧化锰纳米片中带负电的氧原子与超支化聚赖氨酸中带正电的氨基静电结合以达到在生理环境下稳定纳米二氧化锰的效果。
3.本发明提供的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料，能够实现药物负载，可以通过运输促一氧化氮合成的药物普伐他汀钠等到糖尿病患者创面并释放以改善糖尿病患者创面一氧化氮合成受阻的问题。
4.本发明提供的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料，为一种可涂抹的软膏，因此可针对各种具有复杂形状、深度的糖尿病患者创面进行有效保护。
附图说明
图1为实施例1中水凝胶的合成路线图，(a)为聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酰胺)的合成路线，(b)为聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酰胺)中的环氧基团与超支化聚赖氨酸中的氨基反应得到水凝胶的合成路线；
图2为实施例1中水凝胶及各主要组分的傅里叶变换红外光谱图；
图3为实施例1中水凝胶的可涂抹性示意图；
图4为实施例2中水凝胶H和HM对(a)过氧化氢、(b)超氧阴离子、(c)二苯代苦味肼基自由基和(d)羟基自由基的清除能力；
图5为实施例2中水凝胶HM(a)在10mM的过氧化氢存在下释放氧气的曲线图以及(b)反应30分钟后观察到的氧气气泡；
图6为实施例2中水凝胶H和HM的体外抗菌性能；
图7为实施例2中水凝胶对糖尿病大鼠耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的全层皮肤缺损的治疗效果。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明的技术方案，但这些实施例并不用于限制本发明。
实施例1：
1)将18.0g聚乙二醇甲基丙烯酸酯、2.84g甲基丙烯酸缩水甘油酯和2.84g丙烯酰胺溶于250mL甲醇，通氮气鼓泡除氧后，将2.56g偶氮二异丁腈加入混合物中，70℃加热回流10小时。反应物在冰乙醚中沉降分离，离心(×5,000rpm，10min)后得到粗产物。将粗产物在甲醇-冰乙醚体系中重复2次以上的溶解-沉降过程，去除杂质。最后通过旋蒸和真空干燥充分除去溶剂。所得产品聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酰胺)为白色透明粘稠液体。
2)将30mL的0.1mol/L十二烷基硫酸钠和1.5mL的0.1mol/L硫酸加入到265.5mL水中，搅拌并加热至95℃，加热15分钟后，将3mL的50mM高锰酸钾滴加到反应液中。继续加热1小时左右，反应体系从紫色变为无色，并有棕色沉淀颗粒产生时，停止反应。通过离心(×8000rpm，5min)收集二氧化锰沉淀，并用水反复洗涤。通过超声对二氧化锰粉末进行分散。将3mg的二氧化锰加入到3mL水中，超声4小时得到棕色悬浮液，即为二氧化锰纳米片分散液。
3)将超支化聚赖氨酸溶液(45.36mg/mL，3kDa)与第二步中制备的二氧化锰纳米片分散液以1:1的体积比混合并超声30分钟。其中将超支化聚赖氨酸和二氧化锰的最终浓度分别为22.68mg/mL和0.5mg/mL。将混合溶液在1000rpm条件下离心5分钟，弃除底部沉淀，收集上层液体。并进一步将上层液体在10000rpm条件下离心10分钟以获得超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液。
4)将0.07mg聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酰胺)充分溶解于1mL超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液中，并在37℃下反应12小时，得到含有二氧化锰纳米片的超支化聚赖氨酸交联水凝胶(水凝胶HM)。作为参照，将0.07mg聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酰胺)溶于1mL、22.68mg/mL、3kDa的超支化聚赖氨酸溶液中，37℃下反应12小时得到超支化聚赖氨酸交联水凝胶(水凝胶H)。
本实施例制备水凝胶的合成路线如图1所示，水凝胶及各主要组分的傅里叶变换红外光谱图如图2所示，水凝胶的可涂抹性如图3所示，呈现为软膏状，可以轻易地从直径为0.45毫米的注射器针头中挤出，方便涂抹。
实施例2：
1)将18.0g聚乙二醇甲基丙烯酸酯、2.84g甲基丙烯酸缩水甘油酯和2.88g丙烯酸溶于250mL甲醇，通氮气鼓泡除氧后，将2.56g偶氮二异丁腈加入混合物中，70℃加热回流10小时。反应物在冰乙醚中沉降分离，离心(×5,000rpm，10min)后得到粗产物。将粗产物在甲醇-冰乙醚体系中重复2次以上的溶解-沉降过程，去除杂质。最后通过旋蒸和真空干燥充分除去溶剂。所得产品聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酸)为白色透明粘稠液体。
2)将30mL的0.1mol/L十二烷基硫酸钠和1.5mL的0.1mol/L硫酸加入到265.5mL水中，搅拌并加热至95℃，加热15分钟后，将3mL的50mM高锰酸钾滴加到反应液中。继续加热1小时左右，反应体系从紫色变为无色，并有棕色沉淀颗粒产生时，停止反应。通过离心(×8000rpm，5min)收集二氧化锰沉淀，并用水反复洗涤。通过超声对二氧化锰粉末进行分散。将3mg的二氧化锰加入到3mL水中，超声4小时得到棕色悬浮液，即为二氧化锰纳米片分散液。
3)将超支化聚赖氨酸溶液(45.36mg/mL，5kDa)与第二步中制备的二氧化锰纳米片分散液以1:1的体积比混合并超声30分钟。其中将超支化聚赖氨酸和二氧化锰的最终浓度分别为22.68mg/mL和0.5mg/mL。将混合溶液在1000rpm条件下离心5分钟，弃除底部沉淀，收集上层液体。并进一步将上层液体在10000rpm条件下离心10分钟以获得超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液。
4)将0.07mg聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酸)充分溶解于1mL超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液中，并在37℃下反应12小时，得到含有二氧化锰纳米片的超支化聚赖氨酸交联水凝胶(水凝胶HM)。作为参照，将0.07mg聚(聚乙二醇甲基丙烯酸酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯-co-丙烯酸)溶于1mL、22.68mg/mL、5kDa的超支化聚赖氨酸溶液中，37℃下反应12小时得到超支化聚赖氨酸交联水凝胶(水凝胶H)。对于载药水凝胶，在HM和H的预成胶溶液中混入1mg/mL普伐他汀钠后再进行成胶反应，分别得到水凝胶HMP和HP。
以下是上述水凝胶的抗氧化性能测试。通过水凝胶H和HM对过氧化氢、超氧阴离子、二苯代苦味肼基自由基和羟基自由基的清除能力评估水凝胶的抗氧化性能，结果如图4所示。图4a显示H无法与10mM的过氧化氢反应，而HM可以在4小时内完全清除过氧化氢。在图4b中对超氧阴离子清除中观察到类似的结果，HM中的二氧化锰有助于高效清除超氧阴离子，而H没有清除能力。H和HM在清除二苯代苦味肼基自由基时显示出几乎相同的曲线(图4c)，表明主要是H和HM中超支化聚赖氨酸的氨基在清除二苯代苦味肼基自由基中起主要作用。水凝胶H和HM都表现出很强的羟基自由基清除能力，此结果也可归因于氨基与羟基自由基的反应。总而言之，水凝胶HM和H中的超支化聚赖氨酸有助于清除二苯代苦味肼基自由基和羟基自由基，而装载二氧化锰纳米片的HM可以进一步清除过氧化氢和超氧阴离子。
以下是上述水凝胶的供氧性能测试。作为一种可模拟过氧化氢酶的纳米酶，二氧化锰在帮助去除过氧化氢的同时可以产生氧气，如图5所示，将水凝胶HM加入到10mM的过氧化氢溶液中后，溶液中的氧气含量大大增加(图5a)，且有明显的氧气气泡产生(图5b)。而将H加入到过氧化氢中，将H或HM加入到PBS中，均不能观测到溶液中含氧量的变化。
以下是上述水凝胶的体外抗菌性能测试。作为水凝胶H和HM的主要成分之一，超支化聚赖氨酸将为水凝胶提供带正电荷的抗菌表界面。通过将水凝胶浸入耐甲氧西林金黄色葡萄球菌细菌悬浮液中培养，分析加入水凝胶前后细菌数量的变化来研究水凝胶的抗菌效率，结果如图6所示。当初始细菌密度为1.8×109CFU/mL(OD600＝1)时，与对照组相比，H和HM分别杀死94.1％和95.5％的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，而当初始细菌密度为4.0×108CFU/mL(OD600＝0.5)时，H和HM均杀死了99.9％以上的细菌。
以下是上述水凝胶的动物实验。选用Goto-kakisaki自发型II型糖尿病大鼠(GK大鼠)作为糖尿病模型，采用高脂饲料连续喂食7天诱导出高血糖，连续两次空腹血糖值大于11.1mmol/L，则认为II型糖尿病造模成功。在GK大鼠背部做全层皮缺损模型：首先剃掉糖尿病大鼠背部毛发，在其背部造4个直径为10mm的圆形全层皮肤缺损伤口，并在每个伤口接种107CFU耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(5×108CFU/mL，20μL)。待菌液被创口完全吸收后，将创面随机分为5组(n＝6)，并加入相应的材料：Ctrl组(100μL PBS)、H组(100μL水凝胶H)、HP组(100μL水凝胶HP)、HM组(100μL水凝胶HM)和HMP组(100μL水凝胶HMP)，并用3M Tegaderm薄膜覆盖以固定材料及维持水凝胶的水分。造模当日即为第0天，分别在第0、1、2天使用或更换新的材料。从第0天开始，每3天对伤口进行拍照，并测量和分析伤口区域。治疗过程中伤口的照片如图7所示。经过具有抗菌能力的水凝胶H、HP、HM和HMP处理的伤口，其在第三天观测到的伤口愈合率分别为21.4％、27.8％、23.5％和32.2％，程度均明显高于Ctrl组(8.5％)。从第3天起停止水凝胶治疗后，各组间伤口愈合率的差异逐渐减小。这些结果表明在炎症期用水凝胶HMP治疗可以极大地促进伤口愈合，在停止治疗后，前期的累积可以为后期的自愈提供良好的开端。
Claims (8)
1.一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料制备方法，其特征在于，由包含甲基丙烯酸缩水甘油酯的成胶骨架聚合物中的环氧基团与超支化聚赖氨酸和二氧化锰纳米片的静电络合物中的氨基发生开环反应交联得到，所述成胶骨架单体为聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯酸中的至少一种；
制备方法包括如下步骤：
1)将甲基丙烯酸缩水甘油酯和成胶骨架单体溶于甲醇中，通氮气鼓泡除氧后，将引发剂偶氮二异丁腈加入混合物中，50-80℃下加热回流8-24小时，反应结束后用冰乙醚沉淀、离心后得到粗产物，将粗产物在甲醇-冰乙醚体系中多次重复溶解-沉淀，去除杂质，最后通过旋蒸和真空干燥充分除去溶剂，得到成胶骨架聚合物；
2)将十二烷基硫酸钠和硫酸加入到水中，搅拌并加热至95℃，加热10-20分钟后，将高锰酸钾滴加到反应液中，继续加热，当反应体系从紫色变为无色，并有棕色沉淀颗粒产生时，停止反应；通过离心收集二氧化锰沉淀，并用水反复洗涤；通过超声对二氧化锰粉末进行分散，将二氧化锰粉末加入到水中，超声3-6小时得到棕色悬浮液，即为二氧化锰纳米片分散液；
3)将超支化聚赖氨酸溶液与步骤2)中制备的二氧化锰纳米片分散液等体积混合并超声20-60分钟；将混合溶液离心，弃除底部沉淀，收集上层液体并进一步离心以获得超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液；
4)将需负载的药物混入步骤3)中制备的超支化聚赖氨酸-二氧化锰纳米片静电络合物溶液中，随后加入步骤1)中制备的成胶骨架聚合物并使其充分溶解，随后在37℃下反应10-24小时，得到用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料。
2.根据权利要求1所述的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料制备方法，其特征在于，步骤1)所述的甲基丙烯酸缩水甘油酯和成胶骨架单体的投料摩尔比为1:1-1:3，单体总浓度为5-10mg/mL；所述引发剂偶氮二异丁腈摩尔量占单体总摩尔量的1～15％。
3.根据权利要求1所述的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料制备方法，其特征在于，步骤2)所述十二烷基硫酸钠、硫酸和高锰酸钾的浓度分别为5-20mmol/L、1-10mmol/L、0.1-1mmol/L。
4.根据权利要求1所述的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料制备方法，其特征在于，步骤2)所述二氧化锰纳米片分散液的浓度为0.5-10mg/mL。
5.根据权利要求1所述的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料制备方法，其特征在于，步骤3)所述超支化聚赖氨酸分子量为2-10kDa，溶液浓度为20-200mg/mL，混合后超支化聚赖氨酸和二氧化锰纳米片浓度分别为10-100mg/mL、0.25-5mg/mL。
6.根据权利要求1所述的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料制备方法，其特征在于，步骤4)所述需负载的药物为普伐他汀钠、积雪草苷、表儿茶素及其他茶多酚中的至少一种，浓度为0.5-5mg/mL。
7.根据权利要求1所述的一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料制备方法，其特征在于，步骤4)所述成胶骨架聚合物溶液浓度为0.01-0.5mg/mL。
8.一种用于治疗糖尿病创面的抗菌抗氧化水凝胶敷料，其特征在于，含有如权利要求1-7任一项所述方法制得的抗菌抗氧化水凝胶敷料，可用在各种形状、深度的糖尿病患者创面处。
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