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1、第一章DBM/PLA多孔復(fù)合生物活性材料的制備及相關(guān)性能研究
目的:為制備具有局部抗感染能力的GS/DBM/PLA多孔復(fù)合生物活性材料,采用不引入高溫及有機(jī)溶劑殘留的綠色超臨界二氧化碳(SC-COz)合成法首先制備DBM/PLA多孔復(fù)合生物活性材料,確定與DBM復(fù)合的PLA分子量及DBM/PLA復(fù)合的最佳比例。
方法:
(1)選取健康供體皮質(zhì)骨、粉碎、過篩、選擇粒徑為200μm~300μm的骨粉
2、,按山西省醫(yī)用組織庫(kù)同種骨生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行冷凍、清洗、脫鈣處理,制備DBM。
(2)PLA最佳分子量的選擇:取不同分子量的PLA(以2倍質(zhì)量的NaCL作為造孔劑),放入超臨界SC-CO2反應(yīng)釜內(nèi),調(diào)節(jié)溫度和壓力,在溫度37±1℃,壓力200±1Bar條件下,反應(yīng)30min,打開反應(yīng)釜,取出樣品,蒸餾水浸瀝48h去除造孔劑,冷凍干燥,三層無菌包裝,20kGy60Co輻照滅菌后備用。采用比重法檢測(cè)材料的孔隙率,微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)
3、定材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行生物力學(xué)性能評(píng)價(jià)。
(3)DBM/PLA復(fù)合比例確定:將DBM與10萬(wàn)分子量PLA按質(zhì)量比1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3進(jìn)行混合,相同方法加入造孔劑(與復(fù)合材料的質(zhì)量比為2:1),充分混勻后放入超臨界SC-CO2反應(yīng)釜內(nèi),以相同的條件制備復(fù)合材料,蒸餾水浸瀝48h,冷凍干燥,三層無菌包裝,20kGy60CO輻照滅菌后備用。通過比重法評(píng)價(jià)材料的孔隙率,微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)
4、定材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行生物力學(xué)性能評(píng)價(jià),復(fù)蘇傳代L-929小鼠成纖維細(xì)胞株,MTT法檢測(cè)材料的細(xì)胞毒性,冷凍干燥后,離子濺射儀噴金,電子掃描顯微鏡(SEM)觀察孔隙情況。
(4)采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)用(X)±S表示,孔隙率采用等級(jí)相關(guān),各組間采用多樣本均數(shù)的單因素方差分析,若方差齊性,組間多重比較采用最小極差法(LSD),方差不齊,多重比較采用Tamhane's T2法。兩材料組間采用獨(dú)
5、立樣本均數(shù)的t檢驗(yàn)或t’檢驗(yàn)(方差不齊時(shí))。細(xì)胞毒性試驗(yàn)所測(cè)OD值采用析因設(shè)計(jì)方差分析,檢驗(yàn)水準(zhǔn)均為α=0.05。
結(jié)果:
(1)PLA分子量確定:①使用SC-CO2合成法制備的PLA多孔支架材料的孔隙率均大于60%,且隨著PLA分子量的增加而增大(r=0.909,P<0.001),50萬(wàn)分子量的PLA孔隙率達(dá)到了85.52%,結(jié)構(gòu)相當(dāng)疏松。②10、50萬(wàn)分子量的PLA支架材料在經(jīng)過抗壓實(shí)驗(yàn)后,由于材料具有很
6、強(qiáng)的韌性,整體被壓扁,材料結(jié)構(gòu)更加致密,而5萬(wàn)分子量的PLA支架材料經(jīng)過抗壓實(shí)驗(yàn),材料被壓碎,說明5萬(wàn)分子量PLA脆性較大,聚合后受外力作用易破碎。③生物力學(xué)檢測(cè),10萬(wàn)分子量PLA支架材料抗壓強(qiáng)度及彈性模量最高,分別為(264.03±41.11)MPa和(49.71±6.69)MPa,5萬(wàn)分子量PLA支架材料抗壓強(qiáng)度及彈性模量次之,50萬(wàn)分子量PLA支架材料抗壓強(qiáng)度及彈性模量很低,其彈性模量只有(2.95±0.48)MPa,各組間均存
7、在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
(2)DBM/PLA復(fù)合比例確定:①DBM/PLA復(fù)合材料大體觀察結(jié)構(gòu)疏松,有較好的孔隙率,類似人體松質(zhì)骨樣結(jié)構(gòu)。不同比例DBM/PLA復(fù)合材料孔隙率均大于60%,且隨著DBM含量的增加而增大(r=0.945,P<0.001),DBM/PLA復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度及彈性模量卻隨著DBM含量的增加而逐漸降低,當(dāng)DBM含量大于60%時(shí),力學(xué)性能下降顯著:抗壓縮強(qiáng)度(38.44±3.29)MPa和彈性模量(3.49±
8、0.55)MPa,與其余各組材料之間均存在顯著性差異。②各材料組不同時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞OD值間有顯著差異(F=1256.695,P<0.001),各組間存在顯著差異(F=3584.657,P<0.001),材料與時(shí)間因素之間存在交互效應(yīng)(F=224.571,P=0.000)。當(dāng)DBM含量在50%以下時(shí),DBM/PLA復(fù)合材料明顯的抑制了小鼠L929成纖維細(xì)胞的增殖,細(xì)胞評(píng)級(jí)為2-3級(jí),有的甚至達(dá)到了4級(jí),但隨著DBM比例的增大,細(xì)胞毒性逐減低,
9、達(dá)到50%后,基本與正常培養(yǎng)基組相同,對(duì)細(xì)胞增殖無明顯影響,細(xì)胞毒性評(píng)級(jí)為0級(jí)或1級(jí),符合植入類材料的要求。
(3)掃描電子顯微鏡觀察所制備的含60%DBM復(fù)合材料,DBM與PLA混合均勻,結(jié)合致密,材料孔隙分布均勻,孔隙大小大約在200μm-400μm之間,孔洞連通性好,且在孔隙內(nèi)壁上,仍可見大量孔徑為20μm-30μm左右的小孔隙。
結(jié)論:
(1)采用SC-CO2合成法制備的10萬(wàn)分子量的P
10、LA多孔支架材料,具有較好的孔隙率及最佳的抗壓強(qiáng)度及彈性模量,更適合與DBM進(jìn)行復(fù)合。
(2)采用SC-CO2合成法制備的DBM/PLA多孔復(fù)合支架材料,孔隙率隨著DBM含量的增加而增大,力學(xué)性能隨著DBM含量的增加而減弱,細(xì)胞毒性隨著DBM含量的增加而逐漸降低,綜合孔隙率、生物力學(xué)性能及細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn),我們認(rèn)為6:4為SC-CO2法制備DBM/PLA的最佳復(fù)合比例。
第二章 GS/DBM/PLA多孔復(fù)合生物活
11、性材料的制備及緩釋性能研究
目的:采用SC-CO2合成法制備硫酸慶大霉素(gentamicin sulfate GS)、DBM、PLA三者多孔復(fù)合生物活性材料(GS/DBM/PLA),評(píng)價(jià)GS/DBM/PLA復(fù)合材料的理化及緩釋性能。
方法:
(1)根據(jù)金黃色葡萄球菌可以形成細(xì)菌菌落的原理,利用平板法進(jìn)行細(xì)菌計(jì)數(shù),制備金黃色葡萄球菌標(biāo)準(zhǔn)溶液,保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)中金黃色葡萄球菌數(shù)量恒定。
12、(2)取輻照與未輻照慶大霉素粉末各1g,制備慶大霉素標(biāo)準(zhǔn)品容液,微生物檢測(cè)法,測(cè)定輻照與未輻照慶大霉素抑菌圈直徑,比較輻照前后慶大霉素效價(jià);利用所測(cè)得的輻照后不同濃度慶大霉素稀釋液抑菌圈直徑,繪制慶大霉素濃度與抑菌圈直徑的半對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線,給出直線回歸方程。
(3)按DBM/PLA(6/4)的比例分別取0.6gDBM(粒徑大小為200μm~300μm)、0.4gPLA(10萬(wàn)分子量),0.5g慶大霉素粉末,2gNaCL顆粒造
13、孔劑,以SC-CO2合成法,與前述實(shí)驗(yàn)相同的反應(yīng)條件制備GS/DBM/PLA復(fù)合材料。
(4)GS/DBM/PLA理化性能能測(cè)定:采用比重法檢測(cè)材料的孔隙率、微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行生物力學(xué)性能評(píng)價(jià),復(fù)蘇傳代L-929小鼠成纖維細(xì)胞株,MTT法檢測(cè)細(xì)胞毒性。
(5)GS/DBM/PLA緩釋性能能測(cè)定:①將制備好的GS/DBM/PLA復(fù)合材料修剪成統(tǒng)一規(guī)格,準(zhǔn)備15支試管,無菌條件下各
14、加入10ml生理鹽水,將制備好的材料放入試管1中,37℃浸泡24小時(shí)后取出,放入2號(hào)試管,依次至15d,使GS/DBM/PLA復(fù)合材料中的慶大霉素逐漸釋放于鹽水中,對(duì)1-15試管中的鹽水做抑菌試驗(yàn),測(cè)定其不同時(shí)間抑菌濃度并繪制體外釋放曲線。②將制備好的GS/DBM/PLA復(fù)合材料修剪成統(tǒng)一規(guī)格,行大鼠肌袋內(nèi)埋入實(shí)驗(yàn),于術(shù)后第1d、4d、7d、9d、12d、15d后取出植入材料顆粒周圍3mm肌肉組織,同時(shí)腹主動(dòng)脈取血2ml(肝素抗凝),-
15、20℃低溫冰箱保存。在無菌條件下,取出保存的肌肉組織、血液,分別緩沖液勻漿,離心,取上清,微生物檢測(cè)法測(cè)定不同時(shí)間抑菌濃度并繪制體內(nèi)釋放曲線.
(6)采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)用(X)±S表示,兩材料組問采用獨(dú)立樣本均數(shù)的t檢驗(yàn),配對(duì)資料采用配對(duì)(t)檢驗(yàn),采用直線回歸建立回歸方程,細(xì)胞相容性所測(cè)的OD值采用析因設(shè)計(jì)資料的方差分析法,檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.05。
結(jié)果:
(1)
16、對(duì)輻照前后慶大霉素抑菌圈直徑做配對(duì)t檢驗(yàn):t=0.020,P=0.984,無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,說明輻照對(duì)慶大霉素效價(jià)的影響很?。粚?duì)輻照后慶大霉素濃度與抑菌圈直徑做直線回歸,慶大霉素濃度與抑菌圈直徑的直線回歸方程為:Y=7.576+5.113X,r=0.990,P<0.001,通過此方程可將抑菌圈直徑換算為GS濃度。
(2)GS/DBM/PLA理化性能測(cè)定:
①GS/DBM/PLA孔隙率:GS/DBM/PLA及單純D
17、BM/PLA(6/4)材料的孔隙率做t檢驗(yàn),P>0.05,無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,GS/DBM/PLA復(fù)合材料孔隙率為77.076%,略低于單純DBM/PLA(6/4)復(fù)合材料的79.71%。
②GS/DBM/PLA生物力學(xué)性能:GS/DBM/PLA及單純DBM/PLA(6/4)材料的抗壓強(qiáng)度及彈性模量做t檢驗(yàn),P值均大于0.05,說明差異無顯著性,無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,GS/DBM/PLA復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度及彈性模量較單純DBM/PLA(
18、6/4)復(fù)合材料略有所下降,但影響不大。
③GS/DBM/PLA細(xì)胞毒性:各材料組不同時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞OD值間有顯著差異(F=1376.194,P<0.001),各組間存在顯著差異(F=2.983,P<0.001),材料與時(shí)間因素之間存在交互效應(yīng)(F=1376.194,P<0.000),從第3-7天,對(duì)照組、DBM/PLA組及GS/DBM/PLA組之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P值均大于0.05),GS/DBM/PLA復(fù)合材料浸提液培養(yǎng)細(xì)胞
19、1~7天內(nèi)細(xì)胞增殖率均大于90%,細(xì)胞毒性評(píng)級(jí)為0級(jí)或1級(jí),表明GS/DBM/PLA基本無細(xì)胞毒性與單純DBM/PLA(6:4)材料組類似。
(3)GS/DBM/PLA緩釋性能能測(cè)定:
①GS/DBM/PLA體外緩釋性能:1-3dGS大量釋放,從第4d開始GS進(jìn)入緩慢釋放過程,從第8天開始GS濃度基本穩(wěn)定在15-30μg/ml,第15天,GS濃度為16.96μg/ml,仍高于金黃色葡萄球菌最小抑菌濃度(2μg
20、/ml),可起到抑菌效果。
②GS/DBM/PLA體內(nèi)緩釋性能:隨著時(shí)間的延長(zhǎng),GS濃度逐漸降低,第15天,局部肌肉中GS濃度仍能達(dá)到3.00μg/ml,仍高于金黃色葡萄球菌最小抑菌濃度(2μg/ml),可起到抑菌效果,肉眼觀察血液中GS濃度抑菌圈,發(fā)現(xiàn)基本沒有出現(xiàn)抑菌圈,說明血液中GS濃度含量低于2μg/ml,無法起到抑菌效果,基本無全身毒副作用。
結(jié)論:
(1)輻照對(duì)慶大霉素效價(jià)的影響很小,
21、輻照前后慶大霉素的效價(jià)變化不大,利于與/DBM/PLA進(jìn)行復(fù)合,后進(jìn)行輻照滅菌處理。
(2)采用SC-CO2合成法制備的GS/DBM/PLA多孔復(fù)合支架材料,具有較好的孔隙率,一定的生物力學(xué)強(qiáng)度,無細(xì)胞毒性,15天之內(nèi),不論體內(nèi)還是外從復(fù)合材料中緩釋出的GS均可以達(dá)到有效抑菌濃度,且全身毒副作用小。
第三章GS/DBM/PLA多孔復(fù)合生物活性材料治療大鼠感染性股骨髁缺損實(shí)驗(yàn)研究
目的:建立大鼠股
22、骨髁缺損感染模型,植入DBM/PLA及GS/DBM/PLA多孔復(fù)合材料,評(píng)價(jià)DBM/PLA及GS/DBM/PLA多孔復(fù)合材料修復(fù)骨缺損及GS/DBM/PLA材料的抗感染能力,為今后可能的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
方法:
(1)大鼠股感染性股骨髁缺損模型建立及材料移植:
①取健康成年Wistar大鼠84只,4只作為空白對(duì)照組(A組)不做任何處理,其余各40只作為GS/DBM/PLA材料組(B組)及D
23、BM/PLA材料組(C組)。麻醉,平臥固定于操作臺(tái),用直徑1.6mm的牙科球鉆制取大鼠雙側(cè)股骨髁缺損,無菌生理鹽水沖洗缺損,取出事先準(zhǔn)備好的金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus SA)標(biāo)準(zhǔn)溶液(1x1011CFU/ml),微量加樣器吸取10μl,注入股骨髁缺損,靜置30min后,將B(GS/DBM/PLA組)、C(DBM/PLA組)兩組材料分別等量(約80mg)植入缺損處,術(shù)肢不固定,常規(guī)飼養(yǎng)。
②術(shù)
24、后注意觀察動(dòng)物的一般情況,于術(shù)后1d、4d、7d、9d、12d、15d,B、C兩組各取4只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,麻醉后,腹主動(dòng)脈采血,進(jìn)行白細(xì)胞計(jì)數(shù)。
③術(shù)后2w、4w、6w、8w,B、C兩組各取4只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,脫頸處死動(dòng)物,無菌條件下截取雙側(cè)股骨髁缺損區(qū)域取2g左右骨塊,研磨、稱取1g研磨后骨塊,加入10ml生理鹽水,利用平板法進(jìn)行細(xì)菌學(xué)計(jì)數(shù)。
(2)大鼠股感染性股骨髁缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn):
①取健康成年Wista
25、r大鼠36只,隨機(jī)分成3組,植入的材料分別為:A組:GS/DBM/PLA材料組,(缺損處加入SA);B組:DBM/PLA材料組(缺損處加入SA);C組:單純DBM/PLA材料組(對(duì)照組,缺損處不加入SA,不感染實(shí)驗(yàn)動(dòng)物)。
②術(shù)后4w、6w、8w,每組3只/6側(cè),麻醉后攝X光片作放射線檢查,了解新骨生長(zhǎng)和缺損修復(fù)情況,用Image-Pro Plus5.0圖像分析軟件測(cè)取缺損修復(fù)區(qū)單位面積灰度值,以代替骨密度評(píng)價(jià)缺損區(qū)骨修復(fù)
26、情況。
③術(shù)后6w、8w時(shí),每組4只,另取4只正常同年齡同體重動(dòng)物作為對(duì)照組(D組),截取左側(cè)股骨髁,將股骨髁平放固定于生物力學(xué)機(jī)工作臺(tái)上,壓緊后,啟動(dòng)壓力裝置以5mm/min的加載速度施壓,觀察股骨髁位移/時(shí)間和位移/載荷變化,當(dāng)位移達(dá)2mm(股骨髁厚度約5mm)視為結(jié)構(gòu)破壞,記錄破斷載荷(受壓面積約24mm2),評(píng)價(jià)承載能力。
④術(shù)后4w、6w、8w時(shí),每組4只,截取右側(cè)股骨髁,經(jīng)固定、脫鈣、脫水、包埋后
27、,用硬組織切片機(jī)制取厚度為5μm切片,進(jìn)行HE染色,光學(xué)顯微鏡下觀察植骨區(qū)骨愈合情況。
(3)采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)用(X)±S表示,各組間采用多樣本均數(shù)的單向方差分析,若方差齊性,組間多重比較采用最小極差法(LSD),方差不齊,多重比較采用Tamhane's T2法,白細(xì)胞計(jì)數(shù)值采用析因設(shè)計(jì)方差分析,檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.05。
結(jié)果:
(1)大鼠股感染性股骨髁缺損模型建
28、立及材料移植:
①大體觀察:術(shù)后動(dòng)物手術(shù)部位均出現(xiàn)一定程度的腫脹,于術(shù)后2w無菌條件下取材,發(fā)現(xiàn)C組動(dòng)物股骨髁缺損處出現(xiàn)了大量的膿性分泌物,取分泌物接種培養(yǎng),革蘭氏染色證明為金黃色葡萄球菌。
②白細(xì)胞計(jì)數(shù),GS/DBM/PLA組與DBM/PLA組之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=222.141,P<0.001),兩組材料不同時(shí)間點(diǎn)白細(xì)胞計(jì)數(shù)值間有顯著差異(F=21.414,P<0.001),材料與時(shí)間因素之間存在交互效應(yīng)
29、(F=224.571,P<0.001),術(shù)后15d內(nèi),GS/DBM/PLA組白細(xì)胞數(shù)明顯低于DBM/PLA組,DBM/PLA組15d內(nèi),白細(xì)胞數(shù)均明顯高于正常值(4.545±1.358)×109/L,GS/DBM/PLA組白細(xì)胞數(shù)只是前3d有所升高,從第4d起開始就趨于正常。
③骨組織細(xì)菌密度:對(duì)2w、4w、6w、8w分別進(jìn)行方差分析,結(jié)果類似,差異均有顯著性:2w時(shí)F=52.718、P<0.001,4w時(shí)F=94.462
30、、P<0.001,6w時(shí)F=138.535、P<0.001,8w時(shí)F=42.026、P<0.001;GS/DBM/PLA組細(xì)菌數(shù)量明顯低于DBM/PLA組,兩組細(xì)菌數(shù)量至少相差3個(gè)以上數(shù)量級(jí),表明GS/DBM/PLA組材料能有效抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖。
(2)大鼠股感染性股骨髁缺損修復(fù)實(shí)驗(yàn):
①X線觀察結(jié)果:A組(GS/DBM/PLA含SA組)動(dòng)物植入4w時(shí),缺損修復(fù)區(qū)有較為明顯且均勻絮狀阻射影,缺損中心密度較高
31、;植入6w時(shí),絮狀阻射影更為致密,缺損中心已基本無透光區(qū);植入8w時(shí),阻射影趨于致密,缺損區(qū)密度接近于正常骨質(zhì)與C組表現(xiàn)相似。B組(DBM/PLA含SA組)植入8w時(shí),絮狀阻射影進(jìn)一步致密,缺損中心透光區(qū)變小,不規(guī)則。
②骨密度計(jì)量分析:4w、6w、8w分別取材,對(duì)灰度值(骨密度)進(jìn)行方差分析,差異均有顯著性:4w時(shí)F=56.248、P<0.001,6w時(shí)F=57.704、P<0.001,8w時(shí)F=25.793、P<0.0
32、01:進(jìn)一步作組間兩兩比較,各組間也均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差別(P<0.001),C組(DBM/PLA組,無SA)灰度值最大,B組(DBM/PLA組,含SA)灰度值最小,且A組(GS/DBM/PLA組,含SA)明顯高于B組(DBM/PLA組,含SA),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,從一個(gè)角度說明了DBM/PLA材料明顯促進(jìn)了骨缺損修復(fù),GS/DBM/PLA通過局部抗感染能力,有利于骨缺損的修復(fù)。
③移植物抗壓生物力學(xué)測(cè)試:6w、8w取材,對(duì)破斷
33、載荷和破斷強(qiáng)度做方差分析,差異有顯著性,6w時(shí)F=50.381、P<0.001,8w時(shí)F=93.291、P<0.001;進(jìn)一步作組間兩兩比較,除6w,A,C兩組無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外(P=0.097),其余各組間均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差別(P<0.05),D組(正常組)破斷載荷和破斷強(qiáng)度最高,C組(DBM/PLA組,無SA)次之,B組(DBM/PLA組,含SA)破斷載荷和破斷強(qiáng)度最低,且A組(GS/DBM/PLA組,含SA)明顯高于B組(DBM/PLA組
34、,含SA),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,說明DBM/PLA材料明顯促進(jìn)了骨缺損修復(fù),GS/DBM/PLA通過局部抗感染能力,有利于骨缺損的修復(fù)。
④組織學(xué)觀察:A組(GS/DBM/PLA組,含SA)植入4w,植入材料可見少量炎性組織長(zhǎng)入,植入6w,間充質(zhì)細(xì)胞向植入骨內(nèi)長(zhǎng)入,內(nèi)可見少量炎癥細(xì)胞及多核細(xì)胞,植入材料周圍可見成骨細(xì)胞;植入8w,新生骨組織長(zhǎng)滿植入?yún)^(qū),達(dá)到骨愈合與C組(DBM/PLA組,無SA)八周時(shí)情況類似。B組(DBM/
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