Mikrohärte und chemische Zusammensetzung des menschlichen Zahns
Maria del Pilar Gutiérrez-SalazarI, II; Jorge Reyes-GasgaI*
ABSTRACT
Die Härte des menschlichen Zahns, sowohl im Schmelz als auch im Dentin, wurde an verschiedenen Stellen mit einem Vicker-Diamanten gemessen. In dieser Arbeit zeigen wir, dass diese Werte über die gesamte Schmelz- und Dentinstärke nahezu konstant sind. Die Eindrücke wurden von der äußeren Schmelzoberfläche bis zur inneren Dentinschicht und durch die Schmelz-Dentin-Grenze hindurch sowohl in Quer- als auch in Längsproben vorgenommen. Die Gleichmäßigkeit der geometrischen Form der Eindrücke wurde sowohl mit dem Licht- als auch mit dem Rasterelektronenmikroskop überprüft, und die chemische Zusammensetzung des Zahns wurde mit der charakteristischen energiedispersiven Röntgenspektroskopie analysiert. Die Härtemessungen lagen im Bereich von 270 bis 360 VHN für Schmelz und 50 bis 60 VHN für Dentin. Die zervikale Zone wies im Längsschnitt den niedrigsten, im Querschnitt den höchsten Wert auf. Alle Härtewerte waren statisch signifikant. Die Ergebnisse der Tour deuten darauf hin, dass der Unterschied zwischen Schmelz- und Dentinhärte nichts mit dem Gehalt an Na, Cl und Mg zu tun hat, sondern mit dem prozentualen Anteil an organischen und anorganischen Stoffen in Schmelz und Dentin.
Stichworte: Mikrohärte, chemische Zusammensetzung, menschlicher Zahn, Schmelz, Dentin
1. Einleitung
Der Zahnschmelz ist das am stärksten mineralisierte Gewebe des menschlichen Körpers. Er besteht zu 96 Gew.-% aus anorganischem Material und zu 4 Gew.-% aus organischem Material und Wasser. Im Dentin macht das anorganische Material 70 Gew.-% aus. Dieses anorganische Material besteht hauptsächlich aus einem Kalziumphosphat, das mit dem hexagonalen Hydroxylapatit verwandt ist und dessen chemische Formel Ca10(PO4)6-2(OH) 1 lautet. Die Analyse des Zahnschmelzes und des Dentins mit Hilfe der Röntgen-Energiedispersionsspektroskopie (EDS) zeigte auch das Vorhandensein von anderen Elementen wie Na, Cl und Mg 2 in geringen Mengen.
Die menschlichen Zähne sind während des Kauens einem unterschiedlichen Punkt-zu-Punkt-Druck ausgesetzt. Daher ist die Untersuchung und Analyse ihrer Härte sehr wichtig, um zu verstehen, wie die Kaubelastungen im gesamten Zahn verteilt sind, und um vorherzusagen, wie sich Belastungen und Beanspruchungen durch zahnärztliche Restaurationsverfahren, Alter und Krankheiten verändern. Darüber hinaus können die Härtewerte mit anderen mechanischen Eigenschaften wie dem Elastizitätsmodul und der Fließspannung in Beziehung gesetzt werden3,4. Die Messung der Härte eines Zahns ist jedoch nicht einfach. Aufgrund der Strukturen, die Schmelz2 und Dentin aufweisen – Prismen, die im Fall von Schmelz von der Schmelz-Dentin-Grenze (EDJ) bis zur Oberfläche verlaufen, und ein heterogenes Kompositmaterial im Fall von Dentin5-7 – kann man sich leicht vorstellen, dass ihre Härtewerte unterschiedlich sind, sogar von einer Stelle zur anderen innerhalb von Schmelz und Dentin selbst; und dass sie chemisch abhängig wären.
Die Härteprüfung hat zusammen mit intraoralen Modellen große Bedeutung bei De- und Remineralisierungsversuchen8. Die Härte des menschlichen Zahns wurde mit einer Vielzahl von Methoden bestimmt, darunter Abrasions-9, Kratz-10 und Eindringverfahren3,4,11-14. Da im Zahnschmelz und im Dentin beträchtliche lokale Unterschiede festgestellt wurden, werden Methoden bevorzugt, bei denen ein Mikrokratzer oder ein Mikroeindruck verwendet wird, und der Diamant-Eindringkörper von Knoop wird häufig eingesetzt4,8,13,14. Kürzlich wurde über die Nanoindentation mittels Rasterkraftmikroskopie bei der Härtemessung von Dentin berichtet3.
Die Härtewerte von Knoop (KHN) und Vicker (VHN) sind etwa gleich hoch15. Der durchschnittliche Härtewert für Schmelz und Dentin liegt im Bereich von 270 bis 350 KHN (bzw. von 250 bis 360 VHN) bzw. von 50 bis 70 KHN4. Die Standardabweichungen (SD) für diese Werte zeigen jedoch große und signifikante Schwankungen, obwohl diese Schwankungen bei Dentin weniger ausgeprägt sind. So meldeten Craig und Peyton13 für Schmelz eine Härte im Bereich von 344 ± 49 bis 418 ± 60 VHN; Collys et al.14 von 369 ± 25 bis 431 ± 35; Wilson und Love16 von 263 ± 26 bis 327 ± 40. Die Mikrohärte des okklusalen Schmelzes variierte von 359 bis 424 VHN, die des zervikalen Schmelzes von 227 bis 342 VHN14. Diese Schwankungen können durch Faktoren wie histologische Merkmale, chemische Zusammensetzung, Probenpräparation sowie Belastung und Ablesefehler bei der Eindruckslänge (IL) hervorgerufen werden.
Bei gesundem menschlichem Zahnschmelz wurde berichtet, dass die Härtewerte, der Mineralgehalt und die Dichte von der Außenfläche zur EDJ hin allmählich abnehmen18-22. Genauer gesagt fanden Kodaka et al.19 eine mäßige Korrelation zwischen der Vicker-Härte und der P-Konzentration im Schmelz, aber eine geringe Korrelation mit Ca. Sie wiesen darauf hin, dass die VHN-Werte, der Ca- und der P-Anteil in den äußeren, mittleren und inneren Schmelzbereichen signifikant abnahmen. Andere Studien11,19 berichteten, dass die äußere Schmelzoberfläche härter ist als die innere, und dass die Härte vom äußeren Rand bis zur EDJ kontinuierlich abnimmt. Gustafson und Kling21 schlugen vor, dass die Unterschiede in der Schmelzhärte durch Variationen in der Richtung der Vertiefungen in einem einzelnen Zahnabschnitt verursacht werden können. Einige andere Studien13 haben jedoch überhaupt keinen Unterschied gefunden, sondern nur leichte Hinweise darauf, dass der Schmelz am Höcker und an der Außenfläche härter ist als am zervikalen Rand oder an der EDJ, aber der Unterschied war geringer als die angegebene SD, so dass keine definitive Aussage gemacht werden kann.
Die für Dentin angegebenen Härtezahlen variieren ebenfalls. Aufgrund der größeren Größe der Vertiefung im Verhältnis zur Dentinmikrostruktur kann diese Abweichung auf die unterschiedliche Dichte der Dentintubuli an verschiedenen Stellen zurückzuführen sein. Kenney et al.3, die ein modifiziertes Rasterkraftmikroskop zur Messung der Härte von Dentin verwendeten, wiesen darauf hin, dass hydratisiertes peritubuläres Dentin eine Härte im Bereich von 2,2 bis 2,5 GPa aufweist, die unabhängig von der Lage ist, während diese Härte bei intertubulärem Dentin von der Lage abhängt und in der Nähe der EDJ (Werte von 0,49 bis 0,52 GPa) signifikant größer war als in der Nähe der Pulpa (von 0,12 bis 0,18 GPa).
Ein weiterer Parameter, der berücksichtigt werden muss, ist die Zeit. Es wurde berichtet, dass sich bei menschlichen Zähnen die Härteeindrücke nach einiger Zeit zurückbilden13,22. Im Allgemeinen ist jedoch wenig darüber bekannt, wie sich die Größe dieser Vertiefungen mit der Zeit verändert. Da der Zahnschmelz ein eher sprödes Material ist, scheint die Zeitabhängigkeit eines Eindrucks sehr gering oder vernachlässigbar zu sein. Bei Dentin stellten Herkstroter et al.22 jedoch fest, dass sich die Eindrücke über einen Zeitraum von einem Tag entspannen (kleiner werden); danach verändern sich die Eindrücke statistisch nicht mehr. Eine Erklärung für die Entspannung der Eindrücke könnten die Unterschiede im Gehalt der organischen Matrix und/oder in der Bindung zwischen mineralischer und organischer Matrix sein.
Wie man sieht, sind zu viele Parameter an der Analyse der menschlichen Zahnhärte beteiligt; daher erhalten wir in dieser Arbeit genaue Vickers-Härtewerte (mit minimaler SD) für Schmelz und Dentin in gesunden Zähnen. Wir haben uns um die Probenvorbereitung, die chemische Zusammensetzung des gesamten Zahns und die relative Ausrichtung des Eindringkörpers zu den Schmelzprismen und Dentintubuli gekümmert, um die Parameter zu ermitteln und zu kontrollieren, die die Härtemessung statistisch beeinflussen. Die Vickershärteeindrücke wurden mit Hilfe der Lichtmikroskopie (LM) und der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) gemessen und analysiert.
2. Experimentelles Verfahren
Sieben reife, gesunde Prämolaren, die aus kieferorthopädischen Gründen frisch extrahiert worden waren, wurden in selbsthärtenden Kunststoff eingebettet (Abb. 1). Die eingebetteten Zähne wurden entweder transversal oder longitudinal geschnitten (Abb. 1: a, A2) mit einer Diamantscheibenfräse Whiler Mod. Cutto-1. Drei Zähne wurden parallel zur Kaufläche geschnitten, wobei Schnitte nahe 0,5 mm vom Eckzahn, 1,5 mm im Höcker, im mittleren Drittel und im zervikalen Drittel durchgeführt wurden (Abb. 1: c, d, e). Die anderen wurden bukolingual senkrecht zur mesiodistalen Achse des Zahns geschnitten (Abb. 1: A1).
Einer der Faktoren, die sich auf die Härtemessung auswirken, ist die Probenpräparation, denn eine schiefe oder nicht ebene Oberfläche würde einen zu großen IL und damit einen kleineren VHN-Wert ergeben. Daher ist die Herstellung einer ebenen Oberfläche der Proben bei dieser Analyse von entscheidender Bedeutung. Zu diesem Zweck wurden die Proben mit Siliziumkarbid-Papieren von Nr. 1200 bis 4000 nach und nach mit Wasser poliert. Das abschließende Polieren erfolgte mit 0,05er Poliertonerde in einer langsam laufenden metallurgischen Poliermaschine von Bühler, Mod. Minimet, mit leichter Belastung der Probe durchgeführt. Danach wurden die Proben dreimal für je 5 Minuten mit destilliertem Wasser in einem Ultraschallreiniger Bransonic mod. 52.
Vicker-Härtemessungen wurden mit einem Mikrohärteprüfgerät Matsuzawa Mod. MHT2 mit einem quadratischen Diamanteindringkörper mit einem Winkel von 136° durchgeführt. Dieses Prüfgerät verfügt über ein Lichtmikroskop mit hoher Auflösung und hohem Kontrast und einer Vergrößerung von 400 ×. Die Eindrücke wurden mit einer Geschwindigkeit von 20 s abwärts und mit Belastungen von 10 g, 25 g und 50 g vorgenommen, wobei die Eindrücke nie in der Nähe einer Kante der Probe oder eines anderen Eindrucks lagen. Der Mindestabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vertiefungen war größer als 40 mm. Die Anzahl der Vertiefungen an einer Stelle des Zahns hing von der Schmelz- und Dentinstärke in diesem Bereich ab. Daher war diese Anzahl in der Höckerzone größer als in der Zervikalzone (Abb. 2). Kriterien für die Akzeptanz eines Eindrucks waren die Schärfe der diagonalen Kanten, die Gleichmäßigkeit der diagonalen Form (Geometrie) und das Fehlen von Unregelmäßigkeiten im Prüfbereich. Bei den Längsproben wurden die Eindrücke von der Schmelzaußenfläche zur Dentininnenfläche durch die EDJ in fünf Zonen eingebracht: zervikal, mittleres Drittel, Höcker, Rille und parallel zur Okklusion (Abb. 2). Bei transversalen Proben wurden sie in bukolingualer bis mesiodistaler Richtung durchgeführt (Abb. 1: A2).
Die Länge der Achsen des quadratischen Eindrucks (IL) wurde entweder mit der am Okular des Härteprüfers angebrachten Mikrometerskala, mit einem anderen Lichtmikroskop (LM) und mit dem REM abgelesen. Der VHN-Wert wurde aus Tabellen entnommen. Der Mittelwert und die SD wurden sowohl für IL als auch für VHN berechnet. Die Kappa-Statistik wurde verwendet, um die Zuverlässigkeit des Beobachterfehlers beim Ablesen der IL zu bewerten. Es wurde ein Kappa-Wert von 0,90 erreicht. Um Fehler zu reduzieren, wurden die Messungen vom selben Beobachter durchgeführt. Für diese Beobachtungen wurden die Mikroskope Zeiss Axiotech LM und Jeol 5200 SEM verwendet. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe der Varianzanalyse ANOVA durch Vergleich der Werte der diagonalen Eindruckslänge analysiert. Für die chemische EDS-Analyse wurde ein Philips XL30 SEM mit einem NORAN-EDS-Detektor verwendet.
3. Ergebnisse
Abbildung 3 zeigt einige der wichtigsten Unregelmäßigkeiten, die bei menschlichen Zähnen entstehen, wenn einige experimentelle Parameter nicht angemessen sind; sie sind ein Hinweis darauf, dass die Probenvorbereitungsmethode oder die Belastung und/oder die Position des Eindrucks nicht die richtigen sind. Jede dieser Unregelmäßigkeiten ermöglicht eine korrekte Messung der IL, und daher wurde in dieser Arbeit die Probe nicht zur Härtemessung verwendet, wenn eine dieser Unregelmäßigkeiten beobachtet wurde. Die Beobachtung einer dieser Unregelmäßigkeiten reichte aus, um die Vorbereitung und die experimentellen Verfahren der untersuchten Probe erneut zu überprüfen.
Abbildung 4 zeigt die Form der VHN-Eindrücke, die alle Anforderungen für Härtemessungen erfüllen. Abbildung 4a zeigt ein Beispiel für Eindrücke, die über die gesamte Zahndicke in einer Höckerlängsprobe erzeugt wurden. Abbildung 4b zeigt einige der im Schmelz erzeugten Eindrücke, während Abbildung 4c einen im Dentin zeigt. Die Vergrößerung in den Abbildungen 4b und 4c ist dieselbe, so dass der Härteunterschied im Schmelz und im Dentin leicht zu erkennen ist. Abbildung 4 ermöglicht auch den Vergleich zwischen der Größe der Vertiefung und der Größe der Schmelzprismen: dies zeigt eine Vertiefungsfläche von 25 mm2.
Um Eindrücke wie die in Abb. 3 gezeigten zu vermeiden, wurde die Probenpräparationsmethode perfektioniert und die Analyse mit Belastungen von 10 , 25 , und 50 g durchgeführt. Die Mittelwerte für IL, die mit diesen Belastungen in derselben Zone erzeugt wurden, und die entsprechenden VHN-Werte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Unter Berücksichtigung der jeweiligen SD ist die Ähnlichkeit der VHN-Werte in der untersuchten Zone eindeutig. Allerdings sind die SD für Lasten von 10 und 50 g größer als die für 25 g.
Collys et al.14 schlugen eine Last von 50 g für Untersuchungen der Zahnhärte vor, weil sie sagten, dass niedrigere Lasten die Größe des Eindrucks beeinflussen. Sie führten zwei Aspekte für diesen Belastungseinfluss an: 1) die Oberfläche der Probe wird während des Poliervorgangs verändert, wodurch eine Beschichtung entsteht, die größer ist als die größte Tiefe, die der Eindringkörper erreicht, und 2) bei geringerer Belastung nimmt die Schwierigkeit zu, die Eindringmarken zu lesen. In dieser Arbeit konnten wir jedoch nach der angewandten Probenpräparationsmethode keine Beschichtung feststellen, obwohl die Schmelz- und Dentinstruktur immer zu erkennen ist (Abb. 4). Die mit dem verwendeten quadratischen Diamanteindringkörper erreichte Tiefe betrug etwa 2 mm. Außerdem wiesen bei einer Belastung von 50 g fast alle Eindrücke Frakturen und Materialanhäufungen auf, wie in Abb. 3 zu sehen ist. Bei einer Belastung von 10 g waren die Eindrücke sehr schwer zu lesen.
Die mit 25 und 50 g erhaltenen Härtewerte waren statistisch gesehen ähnlich, aber bei einer Belastung von 25 g traten weniger Bruchstellen auf und die Form der Eindrücke war besser. Daher wurde nach der Analyse von Tabelle 1 und unter Berücksichtigung aller oben genannten Punkte die Belastung von 25 g für die Härtemessungen gewählt. Gelegentlich wurden einige leichte Brüche am äußeren Rand der Rillenzone (Zone 4) und im mittleren Drittel (Zone 2) nahe der vestibulären Oberfläche beobachtet, jedoch nicht in den anderen Bereichen. Der Zeitpunkt der Belastung ist ein weiterer Parameter, den wir untersucht haben. McColm23 gab an, dass 15 bis 30 Sekunden für keramische Materialien durchaus empfehlenswert sind. Daher haben wir für diese Studie eine Last von 25 g während 20 s aufgebracht.
Abbildung 2 zeigt die verschiedenen Ebenen des menschlichen Zahns, in denen die Vicker-Härteeindrücke durchgeführt wurden. Tabelle 2 zeigt die wichtigsten VHN-Werte, die bei einer Belastung von 25 g in den verschiedenen untersuchten Zahnbereichen erzielt wurden. Aus dieser Tabelle geht hervor, dass die Zone, die dem Querschnitt parallel zur Okklusion entspricht (Zone 5), die höchsten Härtewerte aufweist, während die Zone 1 (zervikal) die niedrigsten Werte aufweist. Berücksichtigt man jedoch die SD-Werte, so ist der Härteunterschied zwischen Zone 1 und Zone 5 minimal. Tabelle 3 zeigt die wichtigsten VHN-Werte, die in den verschiedenen bewerteten Zonen ermittelt wurden. Hier sehen wir, dass die Härte im Schmelz erwartungsgemäß höher ist als im Dentin, aber sie bleibt in allen Schmelz- bzw. Dentinstärken nahezu konstant. Nur in der Nähe des EDJ gibt es eine Lücke, in der die Härte vom Schmelzwert zum Dentinwert abnimmt.
Aus den erhaltenen Daten ging hervor, dass die Zone mit dem geringsten VHN-Wert die Zone 2 (mittleres Drittel) war, während die Zone 5 (parallel zur Okklusion) die größte war. Im Allgemeinen waren die Vertiefungen in den Querschnittproben leichter ablesbar, sehr gut geformt und mit minimalen Bruchspuren. Im Längsschnitt hingegen wiesen die Eindrücke einige Anzeichen von Frakturen auf, insbesondere die in Zone 2. Statistisch gesehen zeigten die durch ANOVA erhaltenen Ergebnisse signifikante Unterschiede (p > 0,05) zwischen der Zone 5 und den anderen. Daraus wird gefolgert, dass Zone 5 den signifikant höheren Härtewert aufweist, während Zone 1 den niedrigsten aufweist.
Die chemische Analyse mittels EDS zeigte, dass das Ca/P-Verhältnis im Schmelz größer war als im Dentin. Im Schmelz lag es bei 1,63, im Vergleich zu 1,67 im reinen Hydroxylapatit, d.h. mehr Ca als P (Tabelle 4). Na, Cl und Mg wurden ebenfalls nachgewiesen24 (Abb. 5). Im Allgemeinen wiesen Na und Mg im Schmelz ein Minimum an der äußeren Schmelzoberfläche auf, stiegen aber kontinuierlich bis zur EDJ an. Ca und P blieben über die gesamte Schmelzdicke nahezu konstant. Cl wurde an der äußeren Schmelzoberfläche häufiger nachgewiesen als in der EDJ. Im Dentin lag das Verhältnis Ca/P bei etwa 1,5 (Tabelle 4), d. h. mehr P im Schmelz als im Dentin; Cl war nicht vorhanden, Mg nahm von der EDJ bis zur inneren Oberfläche zu und Na nahm an diesen Stellen ab (Abb. 5). Bemerkenswert ist auch das Verhalten von C und O: Im Dentin ist der Anteil von C und O höher als im Schmelz. Dies ist ein Hinweis auf einen höheren Gewichtsanteil an organischem Material im Dentin als im Schmelz, wie allgemein bekannt ist.
4. Diskussion
Nach unseren Ergebnissen ist der Vicker-Eindringkörper bei der Untersuchung der Zahnhärte nützlicher als der Knoop-Eindringkörper, da immer eine quadratische Form beibehalten werden muss und in der Nähe der Außenfläche und der EDJ eine kleine Dehnung der Diagonalen der Eindrücke, die zu Fehlern bei der Härtemessung führen, leicht zu erkennen ist. Daher schlagen wir vor, dass der Vicker-Eindringkörper immer in den Zahnhärte-Studien verwendet werden muss.
Wir haben statistisch gesehen keine signifikanten Härteunterschiede in der gleichen Zone der untersuchten Schallzahnproben gefunden, sondern nur zwischen den verschiedenen Zonen desselben Zahns selbst, wie in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. Wir fanden Härtewerte im Bereich von 270 bis 360 VHN für den Schmelz und von 50 bis 60 VHN für das Dentin; die Unterschiede hängen von der untersuchten Zone ab. Diese Ergebnisse ähneln den von Craig und Peyton13 berichteten, aber in unserem Fall sind diese VHN-Werte über die gesamte Schmelz- und Dentinstärke für jede Bewertungszone konstant. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein leichter Anstieg der Härte von Zone 1 bis Zone 5 beobachtet wurde, d. h. von der zervikalen Zone im Längsschnitt bis zum Querschnitt, parallel zur Okklusion.
Einige Autoren21 haben einige Variationen in der Härte von der Zahnaußenfläche im Vergleich zu den Stellen nahe der EDJ festgestellt, ähnlich wie in Tabelle 2, aber sie haben auch signifikante Steigerungen in den SD-Werten erhalten. Obwohl sie größere VHN-Werte für die äußere Oberfläche als für die EDJ gemeldet haben, was wie Gustafson und Kling21 darauf hindeutet, dass diese Unterschiede in der Härte durch die faltige Struktur, die Prismen in der äußeren Oberfläche vorhanden sind, erzeugt werden. In dieser Arbeit blieben die Härtewerte statistisch gesehen entlang der Schmelz- bzw. Dentindicke konstant und änderten sich nur in der Nähe der EDJ aus natürlichen Gründen: Es gibt eine Lücke von etwa 20 mm vor und nach der EDJ, in der die Form des Eindrucks einige der in Abb. 3 angegebenen Unregelmäßigkeiten aufweist. Dies führt zu niedrigeren Härtewerten, wie sie von ihnen angegeben wurden. Wir beschließen, diese Werte nicht in unsere Messungen einzubeziehen, da sie nicht alle Anforderungen erfüllen, um für eine Vicker-Härteanalyse akzeptiert zu werden.
Es ist klar, dass der VHN-Unterschied zwischen Schmelz und Dentin auf den unterschiedlichen Gehalt an organischen und anorganischen Materialien zurückzuführen ist, wie allgemein bekannt ist. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass die VHN im Schmelz und im Dentin selbst nicht durch das Vorhandensein der Mineralelemente Na, Cl und Mg beeinflusst werden, wie einige Autoren angedeutet haben18-22, sondern nur durch den Prozentsatz der Mineralisierung in diesen Geweben.
5. Schlussfolgerungen
Die Härtewerte des Zahns nach Vicker zeigen statistisch gesehen keine Veränderung von der äußeren Schmelzoberfläche bis zur EDJ und von der EDJ bis zur inneren Dentinoberfläche; sie bleiben über die gesamte Schmelz- und Dentinstärke in der untersuchten Zone konstant. Die Härte ist nur entlang des Querschnitts größer als entlang des Längsschnitts und etwas größer von Zone 1 bis Zone 5. Der VHN-Unterschied zwischen Schmelz und Dentin ergibt sich aus dem prozentualen Anteil der Mineralisierung, den sie aufweisen.
Acknowledgements
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