可再生聚合物的可控合成和功能化

1/1可再生聚合物的可控合成和功能化第一部分可再生聚合物的绿色合成策略 2第二部分生物基单体的合成和功能化 5第三部分可控聚合技术在聚合物合成中的应用 7第四部分共聚合和嵌段共聚合合成功能化聚合物 9第五部分后修饰策略提升聚合物性能 11第六部分可再生聚合物的自组装行为 14第七部分可再生聚合物的生物降解性和生物相容性 17第八部分可再生聚合物的应用前景和挑战 20

第一部分可再生聚合物的绿色合成策略关键词关键要点微藻生物合成

1.利用微藻作为光合作用平台，通过生物合成途径产生可再生聚合物。

2.工程化微藻细胞，优化聚合物产量和功能，例如提高生物降解性或生物相容性。

3.探索不同微藻物种的潜力，发掘具有独特聚合能力的菌株。

酶催化聚合

1.利用酶催化剂促进可再生单体的聚合，降低能耗和环境影响。

2.设计高活性和专一性的酶，控制聚合物的分子量、拓扑结构和功能。

3.优化酶反应条件，如温度、pH值和底物浓度，以实现高效的聚合。

电化学聚合

1.通过电化学氧化或还原反应引发可再生单体的聚合。

2.调控电极电位、电流密度和电解质组成，控制聚合物的形貌、导电性和其他特性。

3.探索不同电极材料，例如碳纳米管或导电聚合物，以改变聚合反应的动力学和产物的性质。

生物质转化

1.利用生物质（如木质纤维素和淀粉）作为可再生碳源，通过化学或热化学转化产生聚合物单体。

2.开发高效催化剂和反应条件，优化单体选择性和聚合物的纯度。

3.探讨不同生物质来源的潜力，例如农作物废弃物、林业副产品和微藻生物质。

机械合力合成

1.利用机械力，例如剪切、延伸或研磨，触发可再生单体的聚合。

2.设计分子结构，以提高对机械力的响应性并控制聚合物的聚集和组织。

3.探索不同机械力处理的方法和设备，以调控聚合物的形态和性能。

可再生单体设计

1.设计和合成具有高可聚合性和可再生性的单体，以获得具有所需性能的聚合物。

2.利用天然产物或生物基分子作为单体基础，以确保可持续性并减少对化石燃料的依赖。

3.探索单体官能团的修饰和聚合反应的优化，以实现可控的聚合和定制功能。可再生聚合物的绿色合成策略

可再生聚合物因其可持续性和对环境的影响低而日益受到关注。为了充分利用它们的潜力，开发绿色合成策略至关重要，这些策略最大限度地减少浪费、能耗和对环境的毒性。以下概述了文献中报道的几种关键绿色合成策略：

1.微生物发酵：

微生物发酵利用微生物（如细菌、真菌或酵母）来生物合成聚合物。这种方法可持续且具有成本效益，因为微生物以可再生碳源（如糖或生物质）为食。例如，聚羟基丁酸酯(PHB)是一种通过细菌发酵生产的可生物降解聚合物。

2.植物合成：

植物合成涉及利用植物作为聚合物的生物工厂。植物能够合成各种各样的天然聚合物，例如纤维素、半纤维素和淀粉。通过遗传工程或代谢工程，可以定制植物以产生具有特定性质的聚合物。例如，木质纤维素是一种多糖，可从植物生物质中提取，可制成可持续的生物塑料。

3.生物催化聚合：

生物催化聚合利用酶作为催化剂来促进聚合反应。酶具有高选择性和催化活性，可用于合成定制聚合物，具有精确控制的分子量、多分散性和官能团。例如，聚乳酸(PLA)是一种可生物降解聚合物，可以通过酶促聚合从乳酸单体合成。

4.超临界流体聚合：

超临界流体聚合使用超临界流体（如二氧化碳或水）作为溶剂和反应介质。超临界流体具有溶解能力高、渗透性强和无毒等优点。超临界流体聚合可用于合成具有独特结构和性质的聚合物。例如，聚乙烯(PE)是一种常见的塑料，可以通过超临界流体聚合从乙烯单体合成。

5.电化学聚合：

电化学聚合利用电化学电池来促进聚合反应。这种方法可用于合成导电聚合物、生物传感器和太阳能电池中使用的功能性材料。电化学聚合提供对聚合过程的精确控制，可用于定制聚合物的性质。例如，聚吡咯是一种导电聚合物，可以通过电化学聚合从吡咯单体合成。

6.光催化聚合：

光催化聚合利用光作为能量源来引发聚合反应。这种方法具有环境友好，因为不需要有毒催化剂。光催化聚合可用于合成具有复杂结构和高纯度的聚合物。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是一种透明塑料，可以通过光催化聚合从甲基丙烯酸甲酯单体合成。

7.机械化学聚合：

机械化学聚合是一种无溶剂合成方法，其中聚合反应通过机械力（如研磨、球磨或挤出）触发。这种方法具有高反应性、快速反应时间和低能耗。机械化学聚合可用于合成各种聚合物，包括热固性塑料、热塑性塑料和交联聚合物。例如，聚酰亚胺是一种高性能聚合物，可以通过机械化学聚合从二酐和二胺单体合成。

结论：

通过实施这些绿色合成策略，我们可以最大限度地减少可再生聚合物生产对环境的影响，同时保持其性能和可持续性。这些策略为实现更可持续的材料科学和塑料行业提供了有希望的途径。不断的研究和创新将继续推进可再生聚合物绿色合成的领域，为解决环境挑战和创造更可持续的未来做出贡献。第二部分生物基单体的合成和功能化关键词关键要点【生物基单体的合成】

1.发酵途径：利用微生物将可再生碳源（如糖类、木质纤维素）转化为生物基单体，如乳酸、琥珀酸和丁二酸。

2.化学转化：通过化学反应将生物基原料（如植物油、脂肪）转化为单体，如环氧树脂、脂肪酸甲酯和多元醇。

3.热解和催化：利用高温或催化剂将生物质（如木屑、农作物残渣）分解成单体，如糠醛、糠酸和异山梨醇。

【生物基单体的功能化】

生物基单体的合成和功能化

生物来源萜烯单体的合成

*异戊二烯（IP）的合成：从生物质中提取的异戊二烯基焦磷酸盐（IPP）经异戊二烯合成酶催化生成异戊二烯。

*异戊二烯衍生物的合成：IPP可进一步转化为异戊二烯醇、异戊二醛和异戊酸等衍生物，为生物基聚合物的合成提供原料。

生物来源糖单体的合成

*葡萄糖的提取和转化：葡萄糖可从玉米、甘蔗等生物质中提取，并转化为生物基单体，如葡萄糖酸、葡萄糖胺和葡萄糖醛酸。

*木质素衍生物的合成：木质素是生物质中的复杂芳香族聚合物，可通过热解、酸催化或酶解等方法转化为生物基单体，如香草醛、香草酸和对羟基苯甲醛。

生物来源酯单体的合成

*脂肪酸的提取和转化：植物油和动物脂肪中的脂肪酸可通过酯化反应转化为生物基酯单体，如甲基酯、乙基酯和异丙基酯。

*油脂衍生物的合成：脂肪酸可进一步转化为脂肪醇、脂肪醛和脂肪胺等衍生物，扩大生物基单体的种类。

生物基单体的功能化

*醇基官能团的引入：醇基官能团可通过醇化反应、环氧化反应和还原反应等方法引入到生物基单体中。

*酸基官能团的引入：酸基官能团可通过氧化反应、卤化反应和亲核取代反应等方法引入到生物基单体中。

*氨基官能团的引入：氨基官能团可通过胺化反应、亚氨基化反应和氨解反应等方法引入到生物基单体中。

*共轭体系和双键的引入：共轭体系和双键可通过脱水反应、环加成反应和Wittig反应等方法引入到生物基单体中，增强其反应性和功能性。

生物基单体的合成和功能化是可再生聚合物领域的基础性研究内容。通过对生物基单体的深度了解和精准调控，可以设计合成性能优异、应用广泛的可再生聚合物材料，为可持续发展和环境保护做出贡献。第三部分可控聚合技术在聚合物合成中的应用关键词关键要点可控聚合技术在聚合物合成中的应用

原子转移自由基聚合（ATRP）

1.ATRP通过可控的自由基反应进行聚合，提供窄的分子量分布和可预测的末端官能团。

2.ATRP在各种单体单体和聚合物架构的合成中得到广泛应用。

3.该技术在生物聚合物和导电聚合物的合成中具有特别的重要性。

可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合

可控聚合技术在聚合物合成中的应用

可控聚合技术是一类强大的聚合方法，可实现聚合物分子量、分子量分布和末端基团的精确控制。通过利用可控聚合技术，可以合成具有预定义结构和性质的定制聚合物材料。这些技术已广泛应用于各种工业和生物医学应用中。

原子转移自由基聚合(ATRP)

ATRP是一种基于自由基聚合的活性可控聚合技术。它利用过渡金属催化剂来控制自由基浓度，从而实现聚合反应的控制。ATRP允许合成具有窄分子量分布和各种官能团的聚合物。

可逆加成-断裂链转移(RAFT)

RAFT是一种基于自由基聚合的可控聚合技术。它使用可逆加成-断裂链转移剂(CTA)来调节自由基浓度。RAFT可用于合成具有窄分子量分布和各种拓扑结构的聚合物。

阳离子聚合

阳离子聚合是一种通过阳离子引发剂引发的聚合反应。阳离子聚合可控性较差，但可用于合成一系列聚合物，例如聚异丁烯和聚苯乙烯。

阴离子聚合

阴离子聚合是一种通过阴离子引发剂引发的聚合反应。阴离子聚合具有高可控性，可用于合成具有窄分子量分布和规则结构的聚合物，例如聚苯乙烯和聚二烯烃。

环开环聚合(ROP)

ROP是通过催化剂打开环状单体的聚合反应。ROP可控性较好，可用于合成一系列具有窄分子量分布和可调结构的聚合物，例如聚乳酸和聚己内酯。

聚合物的功能化

可控聚合技术不仅可以控制聚合物的分子量和结构，还可以实现聚合物的功能化。可以通过在聚合过程中引入官能团或通过聚合后改性来实现聚合物的功能化。

官能团引进

官能团可以通过选择具有相应官能团的单体或通过在聚合过程中添加官能化试剂来引入聚合物。官能团可以提供各种特性，例如亲水性、亲疏水性和生物活性。

聚合后改性

聚合后改性涉及在聚合完成后对聚合物进行化学反应以引入官能团。聚合后改性提供了更大的灵活性，因为它允许引入各种官能团，而无需合成具有相应官能团的单体。

应用

可控聚合技术在聚合物合成中的应用十分广泛。这些技术已用于合成各种聚合物材料，包括：

*高性能热塑性塑料

*生物可降解聚合物

*导电聚合物

*光学聚合物

*生物医学聚合物

结论

可控聚合技术为聚合物合成提供了强大且多功能的工具。这些技术使我们能够合成具有精确控制的结构和性质的聚合物材料。通过可控聚合和功能化，聚合物可以根据特定应用量身定制。随着这些技术的不断发展，我们预计聚合物材料在工业和生物医学等领域将找到更多创新和令人兴奋的应用。第四部分共聚合和嵌段共聚合合成功能化聚合物共聚合和嵌段共聚合合成功能化聚合物

共聚合是将两种或多种单体聚合生成共聚合物的聚合反应。通过共聚合可以引入特定功能基团或改善聚合物的综合性能。嵌段共聚合是共聚合的一种特殊类型，其中不同的单体单元按预先确定的顺序连接形成嵌段共聚合物。

嵌段共聚合物

嵌段共聚合物是由具有不同特性的不同链段按顺序连接而成的高分子材料。嵌段可以是随机、交替或嵌段排列的。嵌段共聚合体的性质取决于各链段的性质及其排列方式。

嵌段共聚合的合成方法

嵌段共聚合可以通过以下方法合成：

*活性中心转移聚合（ATRP）：ATRP是一种可控自由基聚合技术，使用过渡金属络合物作为催化剂，控制单体聚合的活性。

*氮化物介导聚合（NMP）：NMP是一种离子聚合技术，使用氮化物作为引发剂和催化剂，控制单体的阳离子聚合。

*环开环聚合（ROP）：ROP是一种链增长聚合技术，其中环状单体在催化剂的作用下逐个打开并连接在一起。

*环化共聚合：环化共聚合是一种共聚合技术，其中两个或多个单体形成环状结构并随后开环聚合。

功能化嵌段共聚合物

功能化嵌段共聚合物是指在嵌段共聚合物链上引入了特定官能团的聚合物。这些官能团可以赋予聚合物特定的性质或使其具有特定的功能。

功能化嵌段共聚合物的应用

功能化嵌段共聚合物具有广泛的应用，包括：

*生物材料：作为药物递送载体、组织工程支架和生物传感器的材料。

*电子材料：用作电解质膜、场效应晶体管和太阳能电池中的活性层。

*催化剂：用作均相催化剂或多相催化剂中的活性位点。

*自组装材料：用作形成有序纳米结构和功能材料的模板。

具体示例

*聚苯乙烯-b-聚异丁烯嵌段共聚合物：具有热塑性弹性体特性，用于制造轮胎、管材和包装材料。

*聚乙烯-b-聚丁二烯嵌段共聚合物：具有热塑性弹性体特性，用于制造汽车部件、鞋底和运动器材。

*聚乙烯-b-聚环氧乙烷嵌段共聚合物：具有亲水性和疏水性，用于制造水性涂料、乳液和生物相容性材料。

*聚苯乙烯-b-聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚合物：具有透明性和耐溶剂性，用于制造光学薄膜、防护涂层和胶粘剂。

*聚异丁烯-b-聚环戊二烯嵌段共聚合物：具有电活性，用于制造有机太阳能电池和有机电子器件。

结论

共聚合和嵌段共聚合是合成功能化聚合物的有效方法。通过仔细选择单体和聚合方法，可以制备具有特定性质和功能的高分子材料。这些材料在生物材料、电子材料、催化剂和自组装材料等领域具有广泛的应用前景。随着合成技术的不断发展，未来可控合成功能化聚合物领域将继续快速发展，为新材料和新应用开辟更多可能性。第五部分后修饰策略提升聚合物性能关键词关键要点主题名称：表面官能化

1.通过共价键连接小分子、生物分子或聚合物，引入特定的官能团，赋予聚合物新的性能，如生物相容性、抗污性或催化活性。

2.表面官能化可通过多种化学反应实现，如点击化学、迈克尔加成或Diels-Alder环加成，为聚合物的功能化提供了高度的可控性和选择性。

3.表面官能化的聚合物在生物医学、电子和传感器领域具有广泛的应用，可实现靶向输送、电导性或光学响应等功能。

主题名称：共轭聚合物的后修饰

后修饰策略提升聚合物性能

后修饰是合成聚合物后通过化学反应将其转化为具有特定性质和功能的新材料的过程。此策略为提升聚合物性能和功能化提供了以下优势：

1.精确控制聚合物结构和性质：

*后修饰允许在聚合物骨架上引入特定的官能团和侧链，从而精确调控其分子量、玻璃化转变温度、结晶度和机械强度等性质。

2.提高聚合物的功能性：

*引入亲水性、亲油性、亲生物性、荧光性、电活性等功能性基团，可赋予聚合物广泛的应用潜力，例如生物材料、电子材料、光学材料等。

3.改善聚合物的加工性能：

*通过后修饰可以调节聚合物的熔融粘度、流变性、玻璃化转变温度等加工性能，使其更易于加工成各种形状和尺寸。

4.提升聚合物的相容性和界面性能：

*后修饰策略可引入与其他材料界面相容的基团，从而改善聚合物与不同材料之间的界面结合力。

常用后修饰策略：

1.共价键合：

*引入官能团，如胺、羟基、羧酸、烯烃等，形成共价键连接，是最常用的后修饰策略。

*反应类型包括亲核取代、亲电加成、点击反应和1,3-双极环加成反应等。

2.非共价键合：

*利用静电相互作用、氢键、疏水相互作用等非共价力形成修饰体与聚合物之间的结合。

*优点在于修饰体易于移除或更换，有利于聚合物的再加工和回收。

3.表面修饰：

*在聚合物表面引入功能性基团，如涂层、薄膜或纳米粒子。

*该策略可保持聚合物的本体性质，同时赋予其新的表面特性。

4.辐射修饰：

*利用高能辐射（如紫外线、电子束、伽马射线）引发化学反应，引入官能团或交联聚合物链。

*优点在于无溶剂、高效，但可能会引起聚合物降解。

后修饰在不同聚合物类型中的应用：

1.聚烯烃：

*引入极性基团（如羟基、羧酸）以提高聚烯烃的亲水性和生物相容性。

*利用乙烯-丙烯橡胶共混物进行共价交联，提高其机械强度和弹性。

2.聚氨酯：

*引入异氰酸酯或羟基官能团进行聚氨酯的交联，提升其耐热性和机械强度。

*表面修饰聚氨酯纳米粒子，使其具有亲生物性，用于药物递送。

3.聚酯：

*共价键合荧光基团或电活性基团，赋予聚酯光学或电子功能性。

*非共价键合纳米粒子，提高聚酯的导电性和生物相容性。

4.生物基聚合物：

*引入功能性基团，如抗菌剂、抗氧化剂，提高生物基聚合物的生物活性。

*表面修饰生物基聚合物纳米纤维，用于组织工程支架。

总结：

后修饰策略通过化学反应转换合成聚合物，为提升其性能和功能化提供了强大的手段。它允许精确控制聚合物结构、引入功能性基团、改善加工性能和界面相容性。后修饰策略在不同聚合物类型中具有广泛的应用，促进了聚合物材料的发展和应用领域的拓展。第六部分可再生聚合物的自组装行为关键词关键要点可再生聚合物的自组装行为

1.驱动因素：可再生聚合物具有非共价相互作用（如氢键、范德华力、疏水相互作用）的官能团，这些相互作用可引导聚合物在特定溶剂条件下自组装成有序结构。

2.组装动力学：自组装过程是动态的，受到温度、溶剂极性、聚合物浓度等因素的影响。通过优化这些条件，可以控制自组装的速率、方向和最终的结构。

3.结构多样性：可再生聚合物自组装可以形成各种各样有序的结构，包括球形胶束、棒形胶束、层状和纤维状结构。这些结构的形状和尺寸受到聚合物分子结构和自组装条件的影响。

可再生聚合物自组装材料的性能

1.机械性能：自组装可增强可再生聚合物的机械性能，因为有序的结构提供了额外的强度和刚度。通过控制自组装过程，可以调整材料的力学性质以满足特定应用的要求。

2.导电性能：某些可再生聚合物具有固有的导电性，而自组装可以进一步增强其导电性能。有序的结构允许电荷载流子沿着特定的方向流动，从而提高材料的电导率。

3.光学性能：自组装可产生具有周期性结构的可再生聚合物材料。这些结构可以与特定波长的光相互作用，产生光学效应，如反射、折射和色散。这些材料在光学器件和传感应用中具有潜力。

可再生聚合物自组装的应用

1.生物医学应用：可再生聚合物自组装材料在组织工程、药物递送和生物成像等生物医学应用中具有广泛的潜力。它们可以通过自组装形成生物相容且可降解的支架、纳米载体和传感器。

2.能源应用：自组装可再生聚合物在太阳能电池、燃料电池和超级电容器等能源应用中显示出前景。有序的结构可以提高光吸收效率、促进电荷传输并增强材料的稳定性。

3.环境应用：可再生聚合物自组装材料可用于水处理、污染物去除和可持续包装等环境应用。它们通过自组装形成多孔结构，具有高吸附能力和选择性。可再生聚合物的自组装行为

可再生聚合物具有生物降解性、可持续性和可调节性，使其成为传统化石燃料基聚合物的重要替代品。它们的自组装行为为构建具有复杂结构和特殊功能的材料提供了独特的机会。

自组装的驱动力

可再生聚合物的自组装行为主要由以下驱动力驱动：

*分子间作用：包括氢键、范德华力和离子键，这些作用力可在分子链之间形成有序的排列。

*疏水/亲水相互作用：疏水性基团倾向于聚集在一起，而亲水性基团倾向于相互排斥，这会导致水性体系中的相分离。

*共轭效应：共轭π键的存在可增强分子内的电子相互作用，并促进分子链间的有序堆积。

*溶剂效应：溶剂的极性、亲和力和挥发性等因素可影响自组装的行为。

自组装形态

可再生聚合物可自组装成各种形态，包括：

*胶束：球形或椭圆形的聚集体，具有疏水内核和亲水外壳。

*囊泡：封闭的空心囊，由双层膜结构组成。

*纳米纤维：细长的纤维状聚集体，具有高纵横比。

*层状结构：由纳米片或纳米棒堆叠而成的片状结构。

*微米尺度结构：包括球体、棒状体和纤维状体等微米尺度的聚集体。

影响自组装行为的因素

影响可再生聚合物自组装行为的关键因素包括：

*聚合物的组成和结构：单体类型、分子量、末端基团和共聚结构都会影响自组装。

*溶解条件：溶剂的种类、浓度和温度等因素可调节自组装过程。

*添加剂：添加表面活性剂、离子液体或金属离子等添加剂可改变自组装行为。

*剪切应力：剪切力可破坏或增强自组装结构。

*温度和pH值：温度和pH值的变化可改变分子间作用力，从而影响自组装。

自组装的应用

可再生聚合物的自组装行为在各种应用中具有潜力，包括：

*药物递送系统：自组装结构可作为药物载体，提高药物的可控释放和靶向性。

*组织工程：自组装材料可用于构建生物相容性支架，促进组织再生。

*传感器：自组装纳米结构可作为敏感元件，检测化学物质或生物分子的存在。

*催化剂：自组装材料可作为催化剂载体，提高催化效率和选择性。

*光电子器件：自组装结构可用于制造光伏器件、发光二极管和显示器。

总结

可再生聚合物的自组装行为为设计和制造具有复杂结构和特殊功能的材料提供了新的途径。通过调节自组装驱动力和影响因素，可实现对自组装形态和性能的精细控制。可再生聚合物的自组装应用潜力巨大，有望在生物医学、环境科学和能源等领域发挥重要作用。第七部分可再生聚合物的生物降解性和生物相容性关键词关键要点可再生聚合物的生物降解性和生物相容性

主题名称：生物降解性

1.可再生聚合物通过自然界中存在的微生物分解，在环境中分解成无毒物质。

2.其生物降解性受聚合物结构、分子量、结晶度以及环境条件（如温度、pH值和水分）的影响。

3.可控合成可调节这些特性，优化聚合物的生物降解速率和途径。

主题名称：生物相容性

可再生聚合物的生物降解性和生物相容性

生物降解性

生物降解性是指聚合物在特定环境条件下（如土壤、水或堆肥）被微生物分解成无毒物质的能力。可再生聚合物的生物降解性主要取决于其化学结构、分子量和结晶度。

*化学结构：亲水性功能基团（如羟基、羧基和氨基）的存在有利于微生物降解。疏水性侧链会阻碍生物降解。

*分子量：低分子量聚合物更容易被微生物降解。

*结晶度：结晶度高的聚合物降解较慢，因为紧密的分子排列阻碍了微生物的酶促降解。

可再生聚合物的生物降解性可以通过添加生物降解助剂或共聚亲水性单体来提高。常见的生物降解助剂包括淀粉、纤维素和聚乳酸。

生物相容性

生物相容性是指材料与生物组织接触时不引起不良反应的能力。可再生聚合物的生物相容性取决于其成分、结构和表面性质。

成分：纯天然聚合物通常具有良好的生物相容性，如淀粉、纤维素和壳聚糖。

结构：非晶态聚合物比结晶态聚合物具有更好的生物相容性。

表面性质：亲水性表面有利于细胞粘附和组织生长。亲脂性表面可能引起炎症反应。

通过表面改性、共混或共聚，可以提高可再生聚合物的生物相容性。

应用

可再生聚合物的生物降解性和生物相容性使其在以下领域具有广泛的应用：

生物医学：组织工程支架、可吸收缝合线、药物递送系统

包装：可生物降解薄膜、食品容器、农业薄膜

纺织品：天然纤维替代品、抗菌衣物、医疗用品

工业：可生物降解塑料、复合材料、粘合剂

随着研究的深入，可再生聚合物的生物降解性和生物相容性不断提高，使其在可持续发展领域发挥着越来越重要的作用。

数据

*淀粉的生物降解速率约为6-12个月。

*聚乳酸(PLA)的生物降解速率约为1-2年。

*壳聚糖的生物降解速率约为2-3年。

*生物降解助剂的添加可以将聚乙烯(PE)的生物降解速率提高5-10倍。

*亲水性表面改性可以通过增加细胞粘附来提高聚氨酯(PU)的生物相容性。

学术引用

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