Articolo metodologico

Sospensioni acquose stabili di cluster di ferrite di manganese con dimensioni e composizione su scala nanometrica sintonizzabili

DOI:

10.3791/63140

⸱

5 febbraio 2022

 ,  ,  , 
1Department of Chemistry, Brown University, 2Center for Biomedical Engineering, School of Engineering, Brown University

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

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Riportiamo una sintesi idrotermale one-pot di cluster di ferrite di manganese (MFC) che offre un controllo indipendente sulla dimensione e la composizione del materiale. La separazione magnetica consente una rapida purificazione, mentre la funzionalizzazione superficiale con polimeri solfonati garantisce che i materiali non siano aggregati in mezzi biologicamente rilevanti. I prodotti risultanti sono ben posizionati per applicazioni biomediche.

Abstract

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Gli ammassi di ferrite di manganese (MFC) sono assemblaggi sferici da decine a centinaia di nanocristalli primari le cui proprietà magnetiche sono preziose in diverse applicazioni. Qui descriviamo come formare questi materiali in un processo idrotermale che consente il controllo indipendente della dimensione del cluster di prodotto (da 30 a 120 nm) e del contenuto di manganese del materiale risultante. Parametri come la quantità totale di acqua aggiunta al mezzo di reazione alcolico e il rapporto tra manganese e precursore del ferro sono fattori importanti per ottenere più tipi di prodotti su scala nanometrica MFC. Un metodo di purificazione veloce utilizza la separazione magnetica per recuperare i materiali rendendo la produzione di grammi di nanomateriali magnetici abbastanza efficiente. Superiamo la sfida dell'aggregazione magnetica dei nanomateriali applicando polimeri solfonati altamente carichi sulla superficie di questi nanomateriali producendo MFC colloidali stabili che rimangono non aggreganti anche in ambienti altamente salini. Questi materiali non aggreganti, uniformi e sintonizzabili sono eccellenti materiali prospettici per applicazioni biomediche e ambientali.

Introduzione

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L'inclusione del manganese come drogante in un reticolo di ossido di ferro può, nelle condizioni appropriate, aumentare la magnetizzazione del materiale in campi applicati elevati rispetto agli ossidi di ferro puri. Di conseguenza, le nanoparticelle di ferrite di manganese (MnxFe3-xO4) sono nanomateriali magnetici altamente desiderabili grazie alla loro elevata magnetizzazione a saturazione, alla forte risposta ai campi esterni e alla bassa citotossicità1,2,3,4,5. Sia i nanocristalli a dominio singolo che i cluster di questi nanocristalli, chiamati particelle multidominio, sono stati studiati in diverse applicazioni biomediche, tra cui la somministrazione di farmaci, l'ipertermia magnetica per il trattamento del cancro e la risonanza magnetica (MRI)6,7,8. Ad esempio, il gruppo Hyeon nel 2017 ha utilizzato nanoparticelle di ferrite di manganese a dominio singolo come catalizzatore Fenton per indurre l'ipossia del cancro e ha sfruttato il contratto T2 del materiale per il monitoraggio della risonanza magnetica9. È sorprendente alla luce di questi e di altri studi positivi sui materiali in ferrite che ci siano poche dimostrazioni in vivo rispetto ai nanomateriali di ossido di ferro puro (Fe3O4) e nessuna applicazione segnalata nell'uomo9,10.

Un'immensa sfida affrontata nel tradurre le caratteristiche dei nanomateriali di ferrite nella clinica è la generazione di cluster uniformi, non aggregati, su scala nanometrica11,12,13,14. Mentre gli approcci sintetici convenzionali ai nanocristalli monodominio sono ben sviluppati, i cluster multidominio del tipo di interesse in questo lavoro non sono facilmente prodotti in modo uniforme e controllato15,16. Inoltre, la composizione della ferrite è solitamente non stechiometrica e non semplicemente correlata alla concentrazione iniziale dei precursori e questo può ulteriormente oscurare la caratterizzazione sistematica struttura-funzione di questi materiali9,12,13,17. Qui, affrontiamo questi problemi dimostrando un approccio sintetico che produce un controllo indipendente sia sulla dimensione del cluster che sulla composizione dei nanomateriali di ferrite di manganese.

Questo lavoro fornisce anche un mezzo per superare la scarsa stabilità colloidale dei nanomateriali di ferrite18,19,20. Le nanoparticelle magnetiche sono generalmente inclini all'aggregazione a causa della forte attrazione particella-particella; le ferriti soffrono maggiormente di questo problema poiché la loro maggiore magnetizzazione netta amplifica l'aggregazione delle particelle. Nei mezzi biologici rilevanti, questi materiali producono aggregati abbastanza grandi che i materiali raccolgono rapidamente, limitando così le loro vie di esposizione agli animali o alle persone20,21,22. Hilt et al. hanno trovato un'altra conseguenza dell'aggregazione particella-particella nel loro studio del riscaldamento magnetotermico e della degradazione del colorante23. A concentrazioni di particelle leggermente più elevate o ad un aumento del tempo di esposizione al campo, l'efficacia dei materiali è stata ridotta man mano che i materiali si aggregavano nel tempo e le aree superficiali delle particelle attive diminuivano. Queste e altre applicazioni trarrebbero beneficio dalle superfici a grappolo progettate per fornire barriere steriche che precludessero le interazioni particella-particella24,25.

Qui riportiamo un approccio sintetico per sintetizzare cluster di ferrite di manganese (MFC) con dimensioni e composizione controllabili. Queste particelle multidominio sono costituite da un insieme di nanocristalli primari di ferrite di manganese che sono aggregati duramente; la stretta associazione dei nanocristalli primari ne esalta le proprietà magnetiche e fornisce una dimensione complessiva del cluster, 50-300 nm, ben abbinata alle dimensioni ottimali per una nanomedicina. Modificando la quantità di acqua e precursore del cloruro di manganese, possiamo controllare in modo indipendente il diametro e la composizione complessivi. Il metodo utilizza reazioni idrotermali one-pot semplici ed efficienti che consentono frequenti sperimentazioni e ottimizzazione dei materiali. Questi MFC possono essere facilmente purificati in una soluzione di prodotto concentrato, che viene ulteriormente modificata da polimeri solfonati che conferiscono stabilità colloidale. La loro sintoniabilità, uniformità e stabilità della fase di soluzione sono tutte caratteristiche di grande valore nelle applicazioni dei nanomateriali nell'ingegneria biomedica e ambientale.

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Protocollo

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1. Sintesi di MFC con controllo del diametro complessivo e della composizione della ferrite delle MFC

  1. Lavare e asciugare accuratamente tutti gli oggetti in vetro da utilizzare nella sintesi. La quantità di acqua nella sintesi influisce sulle dimensioni delle MFC, quindi è fondamentale assicurarsi che la vetreria non contenga acqua residua16,26.
    1. Per lavare i bicchieri, risciacquare con acqua e detersivo e strofinare con una spazzola a palloncino per rimuovere i detriti. Risciacquare abbondantemente per rimuovere tutto il detergente e terminare con un risciacquo di acqua deionizzata.
    2. Per asciugare la vetreria, scuotere le gocce d'acqua dalla superficie della vetreria e metterle in forno a 60 ° C fino a completa asciugatura.
    3. Risciacquare i reattori rivestiti di polifenilene (PPL) con il 37% di acido cloridrico per rimuovere eventuali detriti dall'uso precedente. Per fare questo, posizionare i reattori e i loro tappi in un grande becher e riempire con acido cloridrico fino a quando i reattori non sono completamente sommersi. Lasciare riposare per 30 minuti prima di versare l'acido cloridrico. Risciacquare continuamente il becher contenente i reattori con acqua per 1-2 minuti, quindi posizionare i reattori nel forno ad asciugare.
  2. Utilizzare una pipetta automatica per trasferire 20 mL di glicole etilenico in un becher da 50 mL con una barra magnetica.
  3. Pesare la quantità richiesta di cloruro di ferro (III) (FeCl3·6H2O, solido) per ottenere una concentrazione finale di 1,3 mM e aggiungerla al becher. Metti il becher su una piastra di agitazione e accendilo a 480 giri / min per iniziare a mescolare continuamente il becher.
    NOTA: Poiché si tratta di un idrato, deve essere misurato e aggiunto rapidamente per evitare l'assorbimento indesiderato di acqua dall'aria ambiente.
  4. Pesare 250 mg di acido poliacrilico (PAA, Mw ~ 6.000, polvere) e aggiungerlo al becher. Dopo l'aggiunta di PAA, la soluzione diventa opaca e leggermente più chiara.
  5. Pesare 1,2 g di urea (CO(NH2)2, polvere) e aggiungerlo al becher.
  6. Utilizzando una pipetta, aggiungere 0,7 mM di cloruro di manganese (II) (MnCl2·6H2O aq, 3,5 M, 0,2 mL) al becher.
  7. Infine, utilizzando una pipetta aggiungere la quantità richiesta (0,5 ml) di acqua ultrapura al becher.
  8. Lasciare che la soluzione si mescoli per 30 minuti e notare il cambiamento di colore. Si presenterà come un colore arancione scuro traslucido.
  9. Trasferire la miscela di reazione nel reattore rivestito di polifenilene (PPL). Si noti che dopo che la soluzione è stata mescolata alcuni solidi potrebbero essersi accumulati sui lati del becher.
    1. Utilizzare un magnete (magnete cubico permanente in terre rare, 40 x 40 x 20 mm, di seguito denominato "magnete" per tutte le procedure di separazione e raccolta magnetica) per trascinare la barra di agitazione attorno alle pareti del becher per garantire che tutti i solidi che si sono accumulati sui lati siano dispersi nella soluzione di reazione.
    2. Una volta che la soluzione è miscelata e pronta, trasferirla nel reattore rivestito in PPL da 50 ml.
    3. Utilizzare un morsetto e una leva per sigillare il reattore nell'autoclave in acciaio inossidabile il più strettamente possibile. Bloccare il recipiente del reattore su una superficie stabile e, utilizzando un'asta inserita nel cappuccio come leva, spingere il reattore a sigillare. Si noti che il reattore sigillato non dovrebbe poter essere aperto a mano. Questo è fondamentale in quanto l'ambiente ad alta pressione del forno richiede una tenuta ermetica sul reattore.
  10. Mettere il reattore in un forno per 20 ore a 215 °C.
  11. Al termine della reazione idrotermale, rimuovere il reattore dal forno e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente. La pressione del forno consentirà di aprire il reattore a mano. Si noti che a questo punto, il reattore conterrà il prodotto MFC disperso nel glicole etilenico con altre impurità, come il polimero non reagito, e sarà una soluzione nera opaca. Il prodotto verrà isolato nei seguenti passaggi.

2. Separazione magnetica e purificazione delle MFC

  1. Introdurre 200 mg di lana d'acciaio in un flaconcino di vetro. Riempire il flaconcino di vetro a metà strada con la miscela di reazione del reattore. Riempire il resto del flaconcino con acetone e agitare bene. Si noti che la lana d'acciaio aumenta l'intensità del campo magnetico nella fiala e aiuterà la separazione magnetica dei nanocluster dalla soluzione.
  2. Posizionare il flaconcino su un magnete per la raccolta magnetica. Il risultato sarà una soluzione traslucida con precipitato nella parte inferiore.
    1. Versare la soluzione surnatante mentre le MFC sono intrappolate magneticamente dalla lana d'acciaio tenendo il magnete sul fondo del flaconcino durante il versamento. Il glicole etilenico sarà per lo più rimosso in questa fase.
    2. Iniziare il lavaggio con il basso rapporto tra acetone e acqua e aumentare il rapporto nei lavaggi successivi fino a quando non è puro. Fallo 3-4 volte.
  3. Rimuovere il flaconcino dal magnete e riempirlo d'acqua. Agitare bene per sciogliere gli MFC. Ora il prodotto sarà completamente disperso in acqua.
  4. Ripetere più volte i due passaggi precedenti fino a quando la soluzione acquosa degli MFC non produce bolle quando viene scossa. Il risultato sarà un ferrofluido scuro e opaco che risponderà fortemente ai magneti.
    NOTA: In una sintesi tipica con 20 ml di glicole etilenico, si otterranno circa 80 mg di prodotto MFC.

3. Funzionalizzazione superficiale delle MFC verso un'altissima stabilità colloidale

NOTA: La sintesi di nitro-dopamina e Poly(AA-co-AMPS-co-PEG) può essere trovata nel nostro lavoro precedente16. Il copolimero è realizzato attraverso la polimerizzazione dei radicali liberi. Aggiungere 0,20 g di 2,2′-Azobis(2-metilpropionitrile) (AIBN), 0,25 g di acido acrilico (AA), 0,75 g di acido 2-acrilammido-2-metilpropano solfonico (AMPS) e 1,00 g di policil(glicole etilenico) acrilato di metile (PEG) in 10 ml di N,N-dimetilformammide (DMF). Riscaldare la miscela a bagnomaria a 70 °C per 1 ora e trasferirla in una sacca per dialisi (Membrana di Cellulosa, 3 kDa) in acqua. Il rapporto di peso di AA, AMPS e PEG è 1:3:4. La polimerizzazione per questi monomeri ha un tasso di conversione del 100%, come confermato dalla liofilizzazione e dalla pesatura.

  1. Combinare 10 mL di nanoparticelle purificate (circa 100 mg) in un flaconcino da 20 mL con 10 mL di soluzione satura di N-[2-(3,4-diidrossifenil)etil]nitramide (nitro-dopamina) (~1 mg/mL). Attendere 5 minuti.
  2. Lavare gli MFC rivestiti con nitro-dopamina utilizzando la separazione magnetica. Versare il surnatante giallo pallido. Aggiungere acqua e agitare energicamente. Quindi, versare acqua usando il magnete per trattenere il prodotto. Ripetere questo lavaggio più volte lasciando la raccolta marrone scuro nel flaconcino.
    NOTA: Preparare una soluzione acquosa con una concentrazione di 20 mg/ml, una soluzione tampone con una concentrazione di 100 mg/mL e una soluzione polimerica poli(AA-co-AMPS-co-PEG) con una concentrazione di 20 mg/ml.
  3. Miscelare 1 mL di soluzione EDC, 1 mL di tampone MES e 3 mL di soluzione polimerica. Mescolare leggermente facendo roteare il composto e lasciarlo riposare per circa 5 minuti. Dovrebbe essere una soluzione chiara e incolore quando completamente combinata.
  4. Aggiungere questa miscela alla raccolta MFC e posizionare il flaconcino in un bagno di ghiaccio. Abbassare il sonicatore della sonda nella soluzione, quindi accenderlo (250 watt di potenza a 20 kHz).
    1. Dopo un trattamento di sonicazione di 5 minuti, aggiungere circa 5 ml di acqua ultrapura alla fiala mentre il sonicatore è ancora in funzione. Continuare a monitorare la nave per assicurarsi che nessun prodotto fuoriuscisca. Mantenere il ghiaccio nella miscela ghiaccio-acqua poiché parte del ghiaccio iniziale si scioglierà a causa dell'intensità e del calore della sonicazione.
    2. Lasciare sonicare la miscela per altri 25 minuti, per un totale di 30 minuti.
  5. Posizionare il flaconcino sopra un magnete per separare gli MFC e versare la soluzione surnatante.
  6. Lavare più volte gli MFC modificati con acqua deionizzata.
  7. Riempire il flaconcino contenente gli MFC con acqua purissima. Pipettare questo fluido in un sistema di filtrazione sotto vuoto con un filtro a membrana di polietersolfone da 0,1 μm per rimuovere eventuali MFC aggregati irreversibilmente. Assicurarsi di lavare le pareti dell'imbuto per ridurre al minimo qualsiasi perdita di prodotto.
  8. Filtrare a vuoto la soluzione. Ripeti questo processo 2-3 volte. Il risultato sarà una soluzione acquosa purificata di MFC monodispersi.
    NOTA: Circa il 10% del prodotto sarà aggregato in modo irreversibile e questo materiale rimarrà sul filtro e dovrà essere scartato.

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Risultati

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Dopo il trattamento idrotermale, la miscela di reazione si trasforma in una dispersione nera viscosa come si può vedere nella Figura 1. Ciò che risulta dopo la purificazione è una soluzione MFC altamente concentrata che si comporta come un ferrofluido. Il fluido nel flaconcino risponde in pochi secondi quando viene posizionato vicino a un magnete portatile (<0,5 T), formando una massa nera macroscopica che può essere spostata mentre il magnete viene posizionato in posizioni diverse.

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Discussione

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Questo lavoro dimostra una sintesi di polioli modificata di nanocristalli di ferrite di manganese raggruppati insieme in aggregati uniformi su scala nanometrica29. In questa sintesi, il cloruro di ferro (III) e il cloruro di manganese (II) subiscono una reazione e una riduzione di idrolisi forzata, formando MnxFe3-xO4 molecolare. Queste molecole di ferrite formano nanocristalli primari sotto l'alta temperatura e l'alta pressione nei reattori, assemblando...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato generosamente sostenuto dalla Brown University e dall'Advanced Energy Consortium. Ringraziamo con gratitudine il Dr. Qingbo Zhang per il suo metodo sintetico stabilito di MFC di ossido di ferro.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Filtro di filtrazione sottovuoto da 0,1 micronThermo Fisher ScientificNC9902431per la filtrazione di cluster aggregati dopo la sintesi e il rivestimento superficiale per ottenere una soluzione uniforme
Acido 2-acrilammido-2-metilpropano solfonato (AMPS, 99%)Sigma-Aldrich282731-250Gutilizzato nel copolimero per rivestire in superficie i nanocluster e funzionalizzarli per terreni biologici
2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN)Sigma-Aldrich441090-100Greagente utilizzato nella produzione di copolimeri come generatore ridico libero
Acido 4-morfolinetsolfonico, acido 2-(N-Morpholino)etansolfonico (MES)Tampone acido Sigma-AldrichM3671-250Gutilizzato per stabilizzare il processo di rivestimento superficiale dei nanocluster
Acido acrilicoSigma-Aldrich147230-100Greagente utilizzato in copolimero per rivestire in superficie nanocluster e funzionalizzarli per terreni biologici; anidro, contiene 200 ppm di MEHQ come inibitore, 99%
Bilancia analiticaAvantorVWR-205ACutilizzata per pesare i reagenti chimici solidi da utilizzare nella sintesi e nella diluizione
Sonificatore digitale e sondaBransonB450utilizzati per sonicare la soluzione di nanocluster durante il rivestimento superficiale per rompere gli aggregati
Dopamina cloridratoSigma-AldrichH8502-25Gutilizzato nel rivestimento superficiale per la reazione di scambio ligando
Glicole etilenico (anidro, 99,8%)Sigma-Aldrich324558-2Lutilizzato come solvente nella sintesi idrotermale di nanocluster Fiale di
vetro (20mL)Fiale PremiumB1015contenitore per soluzione di nanocluster durante il lavaggio e il rivestimento superficiale, nonché soluzioni polimeriche
Becher graduato (100mL)Corning1000-100contenitore per la miscelazione di reagenti solidi e liquidi durante la sintesi idrotermale (da trasferire nel reattore dell'autoclave prima del forno)
Magnete portatileMSC Industrial Supply, Inc.926739041/2" di lunghezza x 1/2" di larghezza x 1/8" di altezza, 5 poli, magnete rettangolare al neodimio magnete a bassa resistenza utilizzato per precipitare nanocluster dalla soluzione (l'intensità del campo viene aumentata con lana d'acciaio quando necessario)
Acido cloridrico (grado ACS, 37%)Fisher Scientific7647-01-0per la rimozione dei detriti residui di nanocluster e la pulizia dei reattori dell'autoclave per il prossimo uso
Reattore per autoclave idrotermaleToptionContenitore TOPT-HP500per miscela di reagenti finita per resistere alle alte temperature e pressioni create dal forno nella sintesi idrotermale
Cloruro di ferro (III) esaidrato (FeCl3· 6H2O, reagente ACS, 97%)ACS236489-500Greagente utilizzato nella sintesi di nanocluster come fonte di ferro (III) che diventa ferro (II) nel prodotto finito nanocluster (mantenere asciutto e pesare rapidamente per evitare la contaminazione dell'acqua)
Spazzole lavatrici da laboratorioFisher Scientific13-641-708utilizzato per lavare e pulire la vetreria prima della sintesi
Piastra di agitazione magneticaThermo Fisher Scientific50093538per la miscelazione di reagenti solidi e liquidi durante la sintesi idrotermale
Cloruro di manganese tetraidrato (MnCl2· 4H2O, 99,0%, cristalli, ACS)Sigma-Aldrich1375127-2Greagente utilizzato nella sintesi di nanocluster come fonte di manganese
Micropipetta (100-1000μ L)Thermo Fisher ScientificFF-1000per il trasferimento di reagenti liquidi come acqua e cloruro di manganese
N-(3-Dimetilamminopropil)-N′-etilcarbodiimmide cloridrato (EDC)Sigma-Aldrich25952-53-8utilizzato nel rivestimento superficiale per assistere nello scambio di leganti del copolimero (conservare il prodotto chimico sfuso nel congelatore e la soluzione diluita in frigorifero)
N,N-Dimetilformammide (DMF)Sigma-AldrichReagente 227056-2Lutilizzato nella produzione di copolimeri come solvente
Sale sodico acido poliacrilico (PAA, Mw~6.000)PolyScience Inc.06567-250reagente utilizzato nella sintesi idrotermale per rivestire inizialmente i nanocluster (eventualmente sostituito nella fase di rivestimento superficiale)
Poli(glicole etilenico) etere metilico acrilatoSigma-Aldrich454990-250MLreagente utilizzato nel copolimero per rivestire in superficie i nanocluster e funzionalizzarli per mezzi biologici; media Mn 480, contiene 100 ppm BHT come inibitore, 100 ppm MEHQ come inibitore
Reagenti Acetone, 4L, Reagente ACSCole-ParmerUX-78920-66utilizzato come solvente per precipitare nanocluster durante il lavaggio
Pipetta a canale singolo, regolabile da 1 a 10 mL3123000080Eppendorfper il trasferimento di glicole etilenico e altri liquidi Steel
WoolLowe's788470utilizzato per aumentare l'intensità del campo magnetico nella fiala per favorire la precipitazione dei nanocluster per il lavaggio e il rivestimento superficiale
Barra di agitazioneThomas Scientific8608S92per la miscelazione di reagenti solidi e liquidi durante la sintesi idrotermale
Morsetto da tavoloGrainger29YW53per la tenuta ermetica del reattore dell'autoclave per resistere all'alta pressione del forno durante la sintesi idrotermica
Urea (reagente ACS, 99,0%)Sigma-AldrichU5128-500Gutilizzato nella sintesi idrotermale per creare una soluzione
di baseTappi per bottiglie di filtrazione sottovuotoThermo Fisher Scientific596-3320per la filtrazione di cluster aggregati dopo la sintesi e il rivestimento superficiale per ottenere una soluzione uniforme
Controllore del vuoto V-850BuchiBU-V850per la filtrazione di cluster aggregati dopo la sintesi e il rivestimento superficiale per ottenere una soluzione uniforme
Forno sottovuotoFisher Scientific13-262-51utilizzato per creare l'alta temperatura e pressione necessarie per la formazione di nanocluster nella sintesi idrotermale
Reagente Reagente Reagente

Riferimenti

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