Biomecái~ica, VI,
11
(81-87), 1998
ORIGINALES
F. BOCCIO
A. MEMBRIVE*
Op imización supe icial de alamb es
M. V. ALFONSO
J.
LL. TAMARIT*"
A.
CAMPOS
de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico
E.
SOLANO
F.
J.
GIL*
median e ni u ación gaseosa.
G upo de in es igación en O odoncia.
Facul ad de Odon ología Uni e sidad
Pa e
1:
ca ac e ización de las empe a u as
de Se illa
TREB. Depa amen o de Ciencias de los
de ans o mación
y
de la supe elas icidad
Ma e iales e Ingenie ía Me alú gica.
**Depa amen o Física e Ingenie ía Nuclea .
ETSEIB
Uni e sidad Poli écnica
Su ace 0p imiza ion
0
supe elas ic Ni-Ti
de Ca aluña.
o hodon ic wi es by gaseous ni u a ion.
Pa
1:
cha ac e iza ion o ans o ma ion and
supe elas ici y empe a u es
Resumen
Summa y
Uno de los p oblemas más impo an es en O odoncia es la al a
de deslizamien o de los alamb es de O odoncza sob e el b acke ,
zmpidiendo una buena e apia pa a la co ección de las posiciones
den ales. Se han cambiado diseños y ma e iales de los b acke s,
pe o no se ha abajado con los alamb es. Es e es udio mues a la
n u ación gaseosa como un e icaz mé odo de mejo a del desliza-
mien o de los alamb es o odóncicos de Ni-Ti supe elás ico (com-
posiciones ce canas a la equia ómica) espec o al
b acke ,
p inci-
pal incon enien e de es as aleaciones en la aplicación o odóncica.
Se comp obó el e ec o que la ni u ación iene sob e la o maczón
de ase ma ensí ica nducida po ensión, y po lo an o en las
p op edades supe elás cas eon ayuda de ensayos a acc ón a
20
y
37T,
así como con calo ime ías DSC que pe mi en la de e mi-
nac ón de las cua o empe a u as ca ac e ís cas de la mns o -
mación ma ensí ica e moelás ica:
A,,
M,,
A,
y
MF.
Se obse ó
un acusado descenso de las empe a u as de ans o mación en
mues as empladas en agua, mien as que mues as dejadas en-
pia en ho no mos a on un descenso más mode ado. Es as úl i-
mas p esen a on supe elas ic dad en un ango de empe a u as li-
ge amen e dis in o al del ma e ial de pa ida.
One o he mos mpo an p oblems zn O hodon cs s he lack
o sl pp ng be ween he wz es on he bmcke , a o d ng he good
he apy o he ee h co ec zon Se e nl deszgns and ma e zals
ha e been es ed o he b acke s, bu he e a e no wo ks w h he
a chwz es In hls pape , he zmp o emen o he slzppzng p ope -
es be zoeen he NI-T supe elas c o hodon c a chw es and he
b acke s has been shown by he n ogen d us on ea men . The
h gh alue o he c on coe ic en s he ma n p oblem o he
use o hese a chwz es n o hodon cs The e ec o he an um
n zde coa zng on he s ess znduced ma ens zc ans o ma zon,
on he supe elas zc p ope es, and he ans o ma zon empe a u-
es has been s udzed An mpo an dec ease o he ans o ma zon
empe a u es
A,,
M,,
A,
y
M,
o he samples qzienched zn wa e
a e he hea ea men has been obse ed Th s dec ease s lowe
when he samples a e cooled on he u nace and he samples, zn
hzs case he N -Ti a chw es p esen szipe elas zc p ope es.
Key
wouds:
Supe elas ici y. Ni-Ti. Ni ogen Di usion ea -
men .
Palab as cla e:
Supe elas icidad. Ni-Ti. Ni u ación.
Co espondencia
P o . D
F.
J.
GIL MUR Dp o. de C~encias de los Ma e iales e Inge-
nie ía Me alú gica ETS de Ingenie ía Indus ial Uni e sidad Poli écni-
ca
de Ca aluña. A da. Diagonal,
647
08028
Ba celona
VOL.
VI
No
11,1998
Op imización supe icial de alamb es de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico.
81
In oducción
ope a, con olado po las empe a u as de ans o ma-
ción ma ensí ica e moelás ica. des ués de a a del
El desa ollo de nue as aleaciones ha con ibuido
de mane a muy signi ica i a a la e olución de los a-
amien os odon ológicos. Los ma e iales adicional-
men e empleados como el Au, ace o inoxidable o Co-
C -Ni han dado paso a una nue a gene ación de alea-
ciones con unas excelen es ca ac e ís icas de enaci-
dad y de ecupe ación en e a g andes ala gamien os.
Es as nue as aleaciones me álicas ales como aleacio-
nes de Ti-P (Ti-Mo) o el Ni-Ti ma ensí ico abajado
en ío o ecen g andes en ajas en la mecano e apia
o odóncica. Sin emba go, el ma e ial que o ece unas
p opiedades más adecuadas es el Ni-Ti supe elás ico',
p ecisamen e po que su supe elas icidad ans o ma-
cional (en la que se induce una ans o mación ma -
ensí ica al ca ga y la e ans o mación al desca ga )
le pe mi e aplica unas ensiones mode adas al pe io-
don o, sob elle ando, sin emba go, de o maciones e-
la i amen e g andes. Es pues un ma e ial con una e-
cupe ación (sp ingback) excelen e y con una muy baja
igidez. Es o es de i al impo ancia en o odoncia, ya
que las ue zas de baja in ensidad man enidas de ma-
ne a con inua son las que han demos ado una mayo
e ec i idad y un meno pe íodo de a amien o en la
co ección de maloclusiones den ales.
Sin emba go, los a cos o odóncicos de Ni-Ti co-
me cializados ac ualmen e p esen an unas malas p o-
piedades de deslizamien o espec o a su elemen o de
guiado (el b aclce ). Es e incon enien e malba a a las
excelen es p opiedades de es as aleaciones, a las que
hay que suma su biocompa ibilidad6. La de o ma-
ción plás ica supe icial y la ele ada icción con el
b acke pueden hace inú iles los es ue zos de un de-
e minado a co e incluso p o oca mo imien os den-
a ios no deseados.
Po o o lado, cabe des aca que la adición con o-
lada de Cu al Ni-Ti aumen a la es abilidad de las em-
pe a u as de ans o mación en e pequeñas a ia-
ciones de composición química y educe la his é esis
é mica (pequeños incon enien es ambos de las alea-
ciones Ni-Ti supe elás icas en su uso en o odoncia),
p opo cionando un sis ema de ue zas más adecuado
al a amien o o odóncico y mejo ando la o mabili-
dad
y
las p opiedades de deslizamien o. No obs an e,
la mejo a en las p opiedades ibológicas de es as alea-
ciones es muy insu icien e y ampoco llega a mínimos
deseables desde el pun o de is a del con ac o a co-
b acke (aunque g acias a las o as en ajas la u iliza-
ción de los a cos de Ni-Ti-Cu ha aumen ado ecien e-
men e). Bas e como p ueba de la impo ancia de es e
p oblema en el a amien o o odóncico el hecho que
ya exis an soluciones al p oblema en ocadas desde el
o o pun o de is a, el b aclce , del que se emplean
cons ucciones llamadas supe deslizan es, aunque
con un cos o muy ele ado.
El obje i o del p esen e abajo es el es udio del man-
enimien o de las p opiedades de supe elas icidad
ans o macional y el ango de empe a u as a la que
Ni-Ti supe elás ico median e ni u ición gaseosa. Es e
a amien o se aplica pa a log a la op imización supe -
icial pe seguida en el Ni-Ti, ya que se ha p e e ido pa -
i
de es as aleaciones, más blandas que las de Ni-Ti-Cu.
F en e a las muchas al e na i as de a amien os de
op imización supe icial, se ha con iado en un i a a-
mien o e moquímico supe icial de ni u ación gaseo-
sa, p incipalmen e po su sencillez
y
economía (sob e
odo en e a la al e na i a de los b acke s supe desli-
zan es) combinados con una nada desdeñabh uncio-
nalidad p obada ya en o as aleaciones de uso
médico5, en las que se mejo ó conside ablemen e las
p opiedades deslizan es y el desgas e. En la li e a u-
a exis en an eceden es de o os a amien os supe i-
ciales del Ni-Ti4,7-9. LOS más in e esan es en la a lica-
ción o odóncica son los de implan ación de iones ni-
ógeno y el
sho
peening, basados en una amo iza-
ción, que han demos ado man ene in ac as las p o-
piedades de memo ia de o ma? Sin emba go, no se
alcanzan alo es de mic odu eza más allá de
5OOHV.
Se ha plan eado la di usión po ni u ación gaseosa".",
pe o es e úl imo es udio se concen a en un ango de
composiciones cuyo compo amien o se aleja mucho
de la supe elas icidad, la cual se p esen a en compo-
siciones ce canas a la eauia ómica.
Las empe a u as de ans o mación ma ensí ica
e moelás ica con olan en g an medida la supe elas-
icidad y con iene sabe que' el Ni-Ti supe elás ico es
una aleación ca az de ansi a a dis in as ases en
I
unción de la empe a u a y ensión. En iando, y a
una ensión nula, se llega a una empe a u a M,
donde se inicia la ans o mación de la ase aus ení i-
ca en ma ensí ica, has a que a la empe a u a M,
acaba dicha ans o mación. En sen ido con a io. ca-
len ando y a ensión nula, se da la e ans o mación
de ma ensi a en aus eni a, de inida po las empe a-
u as de As y A, que de inen su inicio y in espec i-
amen e. Si, en cambio, la empe a u a es cons an e y
si uada en un ango ap opiado, y se ca ga el ma e ial,
se llega una ensión al que la ma ensi a es inducida
po ensión a pa i de aus eni a. Al desca ga , se
llega a una ensión donde la ma ensi a e ans o ma
y el ala gamien o que había sido abso bido po el
cambio de ase se in ie e, con lo que la ecupe ación
es idealmen e o al. Es e úl imo e ec o es el unda-
men o del e ec o supe elás ico. La de e minación de
las cua o em e a u as ca ac e ís icas de la ans o -
mación ma ensí ica y de la e ans o mación se hace
necesa ia pa a la es imación del ango de empe a u-
a en el que puede exis i la supe elas icidad (la com-
p obación de ini i a son los ensayos ensión-de o -
mación a una empe a u a dada). La supe elas icidad
sólo pude exis i en e As y MD (MD es la empe a u-
a más al a en la que puede induci se ma ensi a po
ensión; po encima de M,, después de una zona elás-
ica la de o mación se da á g acias a la gene ación y
mo imien o de dislocaciones de la a~s eni a)~-~.
82
F.
Boccio
y
cols.
Ma e ial
y
me odología expe imen al
El ma e ial empleado ue Ni-Ti supe elás ico
(44,1% en peso Ti) en o ma de a cos de o odoncia
come ciales de sección ci cula (diáme o 0.018"), su-
minis ados po la i ma ORMCOO. En la igu a 1 se
mues a su compo amien o supe elás ico a la empe-
a u a de 37T, y en la abla
1
se ecogen los p ome-
dios de dis in as mediciones de las empe a u as ca-
ac e ís icas de la ans o mación ma ensí ica. Ob-
sé ese que a 37T, empe a u a de se icio del ma-
e ial, és e p esen a una ase ausení ica.
Las ni u aciones gaseosas se ealiza on sin p e ia
p epa ación de la mues a, al y como llega el ma e-
ial al o odoncis a. Se empleó un ho no ubula ali-
men ado po ni ógeno gaseoso de al a pu eza, con
un lujo ci culan e y ap oximadamen e cons an e, su-
icien e como pa a e i a la con aminación de la a -
mós e a in e io . P e iamen e a cualquie ni u ación,
la na e a ce ámica po amues as ue calen ada pa a
elimina posibles p esencias de apo de agua
y
se
man u o un lujo de ni ógeno de 1 l/min, pa a ase-
gu a la expulsión del ai e en el in e io del ubo. Una
ez anscu ido el iempo de ni u ación, se p ocedió
según dos mé odos:
1)
Ex acción de la mues a bajo un ele ado lujo
ci culan e de N, pa a e i a la oxidación, e inmedia-
amen e emple en agua a 20" C.
2) En iamien o en ho no, siemp e en a mós e a de
N,, ci culando el lujo imp escindible pa a e i a la
oxidación.
Se ni u ó a es empe a u as: 800,
900
y 1.000"
(supe io es a la de ec is alización, si uada al ededo
de 700" C) an o pa a las mues as empladas como
pa a las dejadas en ia en el ho no. La o a a iable
con olado a del p oceso, el iempo de ni u ación, se
ijó en 15,30,45 y
60
minu os pa a las mues as em-
pladas en agua. Pa a las mues as dejadas en ia en
Tabla
1.
Tempe a u as ca ac e ís icas de
ans o mación
del
ma e ial de pa ida
Tempe a u as
de
ans o mación
(eC)
M
S
M,
As A,
-
29 -9,5 -8,5
33
ho no se emplea on iempos de 3,5,10 y
20
minu os,
eniendo en cuen a que el iempo e ec i o de ni u a-
ción es mayo ya que mien as se en ían, las mues-
as siguen en a mós e a de ni ógeno.
Es impo an e menciona que las ni u aciones ue-
on eplicadas un mínimo de dos eces, de mane a
que una de ellas se des inó al DSC y o a a los ensa-
yos mecánicos de acción. Po las es ables ca ac e ís-
icas de con ol del p oceso ( iempo, empe a u a, y
en meno medida, el lujo de ni u ación), los au o es
no c eemos que se haya in oducido sesgo o con u-
sión alguna al compa a dis in as p opiedades de un
mismo caso a pa i de dos éplicas dis in as.
Se ealiza on análisis calo imé icos DSC (Di ie en-
ial scanning calo ime y) pa a la ob ención de las em-
pe a u as de ans o mación an o de las mues as
a adas como del ma e ial en es ado de ecepción. El
equipo empleado ue un Uni e sal
TA
2920
MDSC:, y
la elocidad de
en iamien o/calen amien o
emplea-
da de 2T/min en un ango de -50" a a- -50T.
El a co o odóncico abaja sob e odo a lexión, en
meno medida a o sión y es ue zo axial. Sin emba -
go, se e ec ua on ensayos ensión-de o mación a ac-
ción an o a empe a u a ambien e de 20" C como a la
empe a u a co po al de 37". A modo compa a i o
el ensayo de acción es pe ec amen e álido y pe -
mi e ca ac e iza pe ec amen e la supe elas icidad
ans o macional. El equipo empleado ue una má-
quina elec omecánica MTS-ADAMEL
I,HOMAIZGY,
con el alamb e ijado a una longi ud de 20 mm y una
elocidad de mo dazas de 1 mm/min. Se ca gó has a
un ala gamien o del 5% y se desca gó. En los ensayos
a empe a u a co po al se loga on los 37" calen an-
do con lujo de ai e calien e una cáma a aislan e si-
uada en e mo dazas y con olando la empe a u a
del alamb e con un e mopa .
Resul ados expe imen ales
y
discusión
Pa a las mues as empladas en agua, las medidas
calo imé icas mos a on un acusado descenso de las
o
loO
0;
cua o ma e ial empe a u as en es ado de ecepción de ans o mación (Fig. 2). Es espec o sabido que al
-100
E
(%)
a composiciones más pob es en Ti co esponden em-
pe a u as de ans o mación más bajas. I'o lo an o,
FIG.
l.-Ensayos
o/&
a acción a
37"
C del ma e ial en es-
pudie a explica se es e descenso como sul an e de la
ado de ecepción.
o mación de ni u os (ine i ablemen e ambién de
VOI..
VI
No
11,1998
Op imización supe icial de alamb es de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico..
.
83
FIG.
2.-Tempe a u as de ans o mación pa a las mues-
as empladas en agua, en unción de los dis in os iempos
y
empe a u as de ni u ación.
óxidos u oxini u os) de i anio, pe o en cualquie
caso, con un a amien o de sólo
15
minu os se hab ía
sa u ado la capacidad eac i a del i anio, ya que
As,
M,,
A,
y M, ( odas ellas ex emadamen e sensibles a
la composición) no a ia on signi ica i amen e pa a
iempos de a amien o mayo es (Fig.
2).
Como ya se e á más adelan e, las mues as a a-
das y dejadas en ia en ho no no p esen a on un des-
censo an d ás ico de las empe a u as de ans o -
mación. En consecuencia. el discenso uod ía se a i-
I
buido, además de pequeños cambios en la composi-
ción química, a la o mación de acan es c eadas a las
al as empe a u as del a amien o. El emple no pe -
mi i ía que o os á omos llenasen los huecos en la ed
debido a la al a elocidad de en iamien o. Po un
lado, las acan es a o ecen la p ime a e apa de la
ans o mación, un mo imien o de cizalladu a com-
binado con el mo imien o po acan es. En la segun-
da y úl ima e apa, la ma ensi a e moelás ica del Ni-
Ti su~e elás ico se o ma en un D oceso de acomoda-
1
I
ción po maclado, que o ma placas de ma ensi a
acomodada colindan e con la ase
i
(o aus eni a) ma-
iz. Pe o si la ase aus eni a p esen a una g an densi-
dad de acan es, la in e ca a con las placas ma ensí-
icas segu amen e end á g andes di icul ades en
a anza . Pa ece se que un g an núme o de acan es
anclan la ans o mación1.
Los ensayos de acción a empe a u a ambien e y
a
37'!
C de las mues as empladas en agua no mos-
a on en ningún caso supe elas icidad, lo que de
acue do con los esul ados del DSC es lógico (Fig.
3);
a mayo iempo
y
empe a u a de ni u ación, más
acusado es el compo amien o ágil y sólo en los
casos menos se e os se pudo ap ecia una de o ma-
ción plás ica has a el
5%
de ala gamien o sin llega a
o u a.
Pa a las mues as dejadas en ia en ho no, las
me-
didas calo imé icas DSC mos a on un descenso más
mode ado de las cua o empe a u as de ans o ma-
a) Ensayo
a
20"
C
u)
Ensayo a
37'
C
FIG.
3.-Ensayos de acción de las mues as empladas en agua. Las di isiones en los ejes ep esen an
100
MPa pa a la
ensión y
un
1%
pa a el ala gamien o.
84
F.
Boccio y cols. BIOMECANIC~
Tiempo
de
a amien o a 900"
C
FIG.
4.-Tempe a u as de ans o mación pa a las mues-
as dejadas en ia en ho no, en unción de los dis in os
iempos.
ción, como puede obse a se en la igu a
4
pa a las
a adas a 900" C. Igualmen e, pudie a explica se es e
descenso como esul an e de la o mación de ni u os
(ine i ablemen e ambién de óxidos u oxini u os) de
i anio. En onces la composición química del ma e ial
a ia ía, lo que jus i ica ía el descenso de las empe-
a u as de ans o mación po muy pequeño que
uese el empob ecimien o en i anio. Pudie a pensa -
se que, ya que aquí no se da el anclaje de la ans o -
mación ma ensí ica po la pe manencia de acan es,
el descenso debe ía se aún más le e. No obs an e, es
p obable que po la ca ac e ís ica del mé odo de deja
en ia las mues as en el ho no las posibilidades de
una pequeña oxidación aumen en, y po lo an o el
empob ecimien o en i anio sea mayo , con lo que se
iene o o mo i o que acusa el descenso de las empe-
a u as de ans o mación.
Los ensayos de acción en las mues as dejadas en-
ia en ho no mues an pa a la empe a u a de se -
icio de
37"
un compo amien o supe elás ico con
ensiones de ans o mación y e ans o mación muy
bajas (Fig. 5). Es e compo amien o se da en odos los
casos, lo que iene que se debido al empob ecimien-
o en Ti que la ni u ación ha p o ocado.
O
sea, ade-
más de la di usión de ni ógeno in e s icial, se han
o mado ni u os de i anio en la supe icie más ex e-
io . Al baja las empe a u as de ans o mación
ambién descienden las ensiones de an o mación.
Los ensayos a acción y a empe a u a ambien e de
20"
de las mues as dejadas en ia en ho no (Fig.
51, mues an ambién supe elas icidad en odos los
casos.
Pa a es os úl imos casos, se á in e esan e es udia
el g ado de man enimien o de las p opiedades supe -
elás icas en unción de la se e idad de la ni u ación.
Pa a ello, nos es ú il la compa ación de la de o mación
pe manen e al desca ga
E,,
que nos da una medida
de la ma ensi a que no e ans o ma
y
de la ampli-
ud de la zona a ec ada po la ni u ación que no se á
suscep ible de expe imen a supe elas icidad (Fig.
6).
Como e a lógico espe a , puede obse a se la enden-
cia a una mayo de o mación esidual a medida que
aumen a la se e idad del emple.
a) Ensayo a 20"
C
b)
Ensayo a
37"
C
Al
(%)
FIG.
5.-Ensayos de acción de las mues as dejadas en ia en ho no. Las di isiones en los ejes ep esen an
100
MPa pa a
la ensión y un
1
%
pa a el ala gamien o.
VOL.
VI
No
11,1998 Op imización supe icial de alamb es de o odoncia de Ni-Ti supe elás ico.
..
85

Tiempo
(min)
Tiempo (min)
FIG.
6.-De o mación pe manen e en los ensayos de ac-
FIG.
7.-Rendimien o elás ico en los ensayos de acción a
ción a
20"
de las mues as dejadas en ia en ho no, en
20"
de las mues as dejadas en ia en ho no, en unción
unción del iempo y empe a u a de ni u ación. del iempo y empe a u a de ni u ación.
--
En una aplicación supe elás ica, el endimien o
elás ico
e
puede se en endido como el po cen aje de
ene gía elás ica ecupe ada en la desca ga espec o al
o al in oluc ado en la ca ga has a un
5%
de ala ga-
mien o. La obse ación del mismo (Fig.
7)
ambién e-
ela una mayo pé dida del g ado de supe elas ici-
dad con la se e idad de la ni u ación.
Como se obse a á en la Pa e
11
de es e abajo la
capa de ni u os hace aumen a los alo es de du eza
desde 300 unidades Vicke s a alo es supe io es a las
1.100 unidades Vicke s; es e impo an e aumen o de
du eza hace que los coe icien es de icción en e el
alamb e de Ni-Ti ni u ado y el b acke disminuyan
desde 0,50 a 0,25, lo que mejo a de una mane a muy
impo an e el deslizamien o de los alamb es. Asimis-
mo, es e ecub imien o ha á disminui de mane a e i-
caz la esis encia a la co osión y la libe ación de
iones al medio isiológico, ya que la capa ine e ni u-
ada ac úa como ba e a de la deg adación.
Conclusiones
Como conclusiones des acamos es ideas. En p i-
me luga , cons a a que la ni u ación y pos e io
emple en agua a 20" es un mé odo ecnológica-
men e in álido. P obablemen e, la o mación de a-
can es a al a empe a u a y su pe manencia, impide
la mani es ación del e ec o supe elás ico en un ango
de empe a u as azonable. De es e modo, el Ni-Ti
pe de ía el in e és desde el pun o de is a de su apli-
cación en o odoncia.
En segundo luga , apun amos la bondad del mé o-
do de ni u ación gaseosa y pos e io en iamien o en
ho no en is a al man enimien o de las p opiedades
supe elás icas. Es e iden e que a iando la composi-
ción del ma e ial de pa ida (en iqueciéndolo lige a-
men e en Ti), puede llega se a un compo amien o su-
pe elás ico más adecuado a
37"
después de una ni-
u ación gaseosa que endu ezca has a el ni el eque-
ido. Sin emba go, es muy p obable que es o no hi-
cie a al a si las mues as u ie an más sección que la
de los alamb es es udiados que nos ue on suminis-
ados. Po úl imo, se ha comp obado que e1 g ado de
man enimien o de las p opiedades supe elás icas dis-
minuye con la se e idad de la ni u ación.
En esumen, es pues asumible que el mé odo de ni-
u ación gaseosa es capaz de man ene de alguna
mane a las p opiedades supe elás icas de las aleacio-
nes Ni-Ti supe elás icas en el seno del ma e ial, al
mismo iempo que se ha cons a ado su bondad como
mé odo de op imización supe icial. O o aspec o de
i al impo ancia es que la implemen ación de es e
a amien o sob e el a co de o odoncia no supone
iesgo alguno pa a el pacien e, al y como se desp en-
de de es udios de la libe ación de iones al medio sali-
a del níquel- i anio supe elás ico6. La sencillez, eco-
nomía y la mejo a del deslizamien o espec o al
b nc-
ke
jun o con el man enimien o de las p opiedades
supe elás icas, hacen del mé odo de ni u ación gaseo-
sa del níquel- i anio supe elás ico
un
candida o p o-
me edo en su aplicación o odóncica.
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