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1 - Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 2, April 2012, 임명선 박민아 박수남 서울과학기술대학교정밀화학과, 화장품종합기술연구소 (2012 년 1 월 25 일접수, 2012 년 2 월 11 일수정, 2012 년 2 월 20 일채택 ) Preparation of Nano-emulsion Containing Polygonum aviculare Extract for Enhanced Transdermal Delivery Myoung Sun Lim, Min A Park, and Soo Nam Park Department of Fine Chemistry, Cosmetic R&D Center, Seoul National University of Science and Technology, Seoul , Korea (Received January 25, 2012; Revised February 11, 2012; Accepted February 20, 2012) 본연구에서는마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한안정한나노에멀젼을제조하였고, 이나노에멀젼의피부흡수증진효과를평가하였다. 나노에멀젼은균질기 (homogenizer) 처리후고압유화기 (microfluidizer) 를이용한고에너지법으로제조하였다. 마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼의입자크기와포집효율을측정하였다. 평균입자크기는 238 nm 이었으며포집효율은 98% 이상으로나타났다. 나노에멀젼은단분산의입도분포를나타냈으며고압유화과정을거치지않은일반에멀젼보다도더안정함을보여주었다. Franz diffusion cell 을이용하여마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼의피부투과실험을수행하였다. 에틸아세테이트분획함유나노에멀젼은대조군인 1,3-butylene glycol 용액에서보다피부흡수및투과량이더큰것으로나타났다. 이상의연구결과들은항산화및항노화활성이큰마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼이안정성및피부투과력이우수함을시사한다. In this study, nano-emulsion containing ethyl acetate fraction of Polygonum aviculare (P. aviculare) extract was prepared and skin permeability of the nano-emulsion was evaluated. Nano-emulsion was prepared using homogenizer and microfluidizer by the high-energy method. The droplet size and loading efficiency of nano-emulsion containing ethyl acetate fraction of P. aviculare extract were determined. The mean droplet size was 238 nm and the loading efficiency was more than 98%. The size distribution of nano-emulsion was a monodispersed form and nano-emulsion was more stable than that of using typical emulsion without using the microfluidizer. The in vitro skin permeation study of nano-emulsion containing ethyl acetate fraction of P. aviculare extract was carried out using Franz diffusion cells. Compared to 1,3-butylene glycol, nano-emulsion showed greater values of cumulative permeation of ethyl acetate fraction from P. aviculare extract. These results indicate that the stability and skin permeability of nano-emulsion containing ethyl acetate fraction of P. aviculare exerting anti-oxidative and anti-aging activities were enhanced. Keywords: Polygonum aviculare, flavonoids, nano-emulsion, transdermal delivery, Franz diffusion cell 1) 1. 서론 에멀젼이란미세한액체방울이연속상인액체매질에분산되어있는계를뜻한다. 에멀젼은열역학적으로불안정하기때문에에멀젼의안정성을증가시키기위한기술에관심이집중되고있다. 일반적으로에탄올과계면활성제는에멀젼의안정성을강화시키는역할을하는데그이유는이들이오일상과수상사이의계면장력을현저히감소시키기때문이다. 그럼에도불구하고과량의계면활성제를사용할경우피부에홍반, 가려움등의피부자극의발생요인이될 교신저자 ( snpark@seoultech.ac.kr) 수있다. 따라서최소한의계면활성제를사용하여안정한에멀젼을제조해야한다 [1]. 나노에멀젼은일반적으로 nm의입자크기를갖는에멀젼의한유형으로 miniemulsions[2,3], ultrafine emulsions, emulsoids [4,5], submicron emulsions[6,7] 으로불리기도한다. 나노에멀젼은입자크기가작고균일하기때문에침전이나크리밍현상에대하여우수한안정성을나타내기때문에 [8-10] 화장품, 식품및의약품등에실질적으로응용하고자하는시도가계속되어왔다 [11,12]. 나노에멀젼의제조방법은고에너지법 (highenergy methods) 과저에너지법 (low-energy methods) 으로나눌수있다 [13]. 고에너지법은 high-shear stirring, high-pressure homogenizers, 그리고 ultrasound 222

2 223 generators 등을사용한다 [14]. 이방법은 nm µm의다양한크기의에멀젼을얻을수있기때문에산업적으로널리이용되어왔다. 저에너지법은상전이를이용하는방법으로구성성분을일정하게유지시키는반면에온도를변화시키는 phase inversion temperature (PIT) 방법 [15] 과온도는일정하게유지시키면서구성성분을변화시키는 emulsion inversion point (EIP) 방법이있다 [16]. 최근이러한방법으로제조된나노에멀젼은플라보노이드와같은유효성분들의안정화를위한, 효율적인피부흡수를위한전달시스템으로관심이모아지고있다. 본논문에서추출물로사용한식물인마디풀 (P. aviculare L.) 은마디풀속 (Polygonum) 에속하는식물로서북반구여러곳에서발견할수있으며한국에서는예로부터마디풀전초를건조하여황달, 복통, 혈뇨증, 이질, 및고혈압을위한천연약재로사용해왔다. 마디풀의성분으로는 quercetin 등의플라보노이드가알려져있으며 [17,18], 그추출물의항산화효능 [19] 및항균작용 [20] 등에대하여도일부보고된바있다. 본저자들은이전연구에서마디풀추출물의에틸아세테이트분획이 1 O 2 으로유도된세포손상에있어서현저한세포보호효과, 라디칼소거활성과각종 ROS가생성되는계에서의총항산화능등이크게나타났으며주요플라보노이드성분은 quercetin, myricetin과이들의배당체임을확인하였다 [21]. 선행연구결과로부터마디풀추출물이자외선에노출된피부에서항산화제로써뿐만아니라기능성화장품원료로서응용가능성이있을것으로판단되었다. 따라서본논문에서는기능성화장품원료를개발할목적으로항산화및항노화활성이우수한마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼을초고압유화장치인 microfluidizer를이용하여제조하였고, 추출물함유나노에멀젼의입자크기, 포집효율, 안정성등의물리화학적특성과 Franz diffusion cell을이용한피부투과증진능력을평가하였다. 2. 재료및실험 2.1. 기기및시약피부투과실험에 Permegear (USA) 의 9 mm Franz diffusion cell (receptor volume 5 ml) 과 V6A Stirrer 모델을사용하였다. 마디풀추출물의정량분석에사용한 UV-visible spectrophotometer는 Varian (Australia) 의 Cary 50 모델을사용하였고에멀젼의나노화를위한 micofluidizer는 Microfluidics (USA) 의 Microfluidizer Processor M- 110EH-30을사용하였다. 스테아르산 (stearic acid, SA), 세틸알코올 (cetyl alcohol, CA), 미네랄오일 (mineral oil, MO), 카프릴릭 / 카프릭트리글리세라이드 (caprylic/capric triglyceride, CCT) 그리고 polyoxyethylene hydrogenated castor oil (HCO-60, Nikkol, Japan) 은 ( 주 ) 사임당화장품 (Saimdang, Co. Ltd. Korea) 으로부터공급받았다. 실험에서사용된물은 Millipore Q (Millipore Co., USA) 를이용한 3차증류수 (DW) 를사용하였다. 에탄올 (EtOH), 헥산, 에틸아세테이트 (EtOAc) 등각종용매는시판특급시약을사용하였다. 실험에사용한건조된마디풀은청량리경동시장에서구입하여사용하였다 마디풀추출물의제조건조된마디풀 100 g을잘게자른후 50% 에탄올 1 L를이용하여일주일동안침적시킨후여과하였다. 이여액은감압농축한후헥 Figure 1. Scheme for preparation of ethyl acetate fraction (flavonoid fraction) from P. aviculare. 산을이용하여엽록소, 지질등의비극성성분을제거하였으며, 이후에틸아세테이트로 3회반복처리하여플라보노이드분획을얻었다 (Figure 1). 에틸아세테이트분획을감압농축하여파우더를얻었으며이를실험에사용하였다 고압유화장치를이용한마디풀추출물나노에멀젼제조 0.1 (w/w)% 마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼은다음과같은방법으로제조하였다. 오일상, 에탄올상그리고수상의구성성분과조성을 Table 1에나타내었다. 오일상은 stearic acid, cetyl alcohol, caprylic capric triglyceride, mineral oil, polyoxyethylene hydrogenated castor oil (HCO - 60) 로구성되며이들을비이커에넣은후 75 에서균일하게용해시킨다. 에탄올상인마디풀추출물의에틸아세테이트분획과에탄올은비이커에넣고완전히용해시킨다. 에탄올상을 75 로유지한후이를오일상에넣고빠르게섞어서분산상을제조한다. 분산상을연속상인증류수에넣고균질기 (X1030D, Germany) 을이용하여 3000 rpm으로 3 min 동안교반하였다. 앞서제조한 O/W 에멀젼은 60 까지냉각한후고압유화장치인 microfluidizer를이용하여나노화하였다. Microfluidizer의 reservoir에에멀젼 250 ml을넣은후약 700 bar의압력조건과 5 cycle의순환조건으로 0.1% 마디풀추출물의에틸아세테이트분획함유나노에멀젼을제조하였다. 제조된나노에멀젼은 23 ± 1 에서보관하였다 마디풀추출물나노에멀젼의물리적성질 마디풀추출물나노에멀젼의입자크기및입도분포입자크기와입도분포는나노에멀젼의매우중요한물리화학적특성중하나이다. 빛의산란을이용하여입자크기를분석하는 Otsuka ELS-Z series (Otsuka Eletronics, Japan) 를이용하여입자크기및입도분포를측정하였다. 시료는전처리과정없이에멀젼원상태로측정하였다. 측정산란각은 165 이며 Ar 레이져를광원으로사용하였다. 평균입자및입도분포는 70번씩 2회측정한후누적분석법과 Contin법으로해석하여나타내었다. Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 2, 2012

3 224 임명선 박민아 박수남 Table 1. Composition of P. aviclare Extract Loaded Formulation for Emulsion and/or Nano-emulsion Oil phase Ethanol phase Component w/w % Stearic acid (SA) Cetyl alcohol (CA) Caprylic/ capric triglyceride (CCT) Mineral oil (MO) HCO-60 Ethanol (EtOH) PA ethyl acetate fraction (PA) Water phase Distilled water (DW) Up to 100 Table 2. Droplet Size and Loading Efficiency of Emulsion and Nano-emulsion Containing P. aviculare Extract Emulsion Nano-emulsion Droplet size (nm) ± nm Loading efficiency (%) 98.9 ± ± 2.3 여에탄올을제거한후동량의 receptor solution에용해한후분석하였다. 각질층을제외하고남은표피와진피에존재하는마디풀추출물 (Skin) 또한세절한후에탄올로추출하고위와같은과정으로분석하였다 마디풀추출물나노에멀젼의포집효율 0.1% 마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼의포집효율은다음과같이평가하였다. 에탄올에용해한마디풀추출물은 360 nm에서최대흡수를나타낸다. 마디풀추출물함유나노에멀젼 1 g을취하여에탄올로추출하여여과하였고그여액의흡광도를 360 nm에서 UV-visible spectrophotometer로측정한후동일농도의마디풀추출물을녹인에탄올용액과비교하였다 마디풀추출물나노에멀젼의경표피투과실험마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼의피부투과력을평가하기위하여 Franz diffusion cell을이용하였다. 1,3-butylene glycol 용액에동일농도의시료를용해한것을대조군으로사용하였다. 두가지제형을 Franz diffusion cell에고정된 ICR mouse 등피부에적하하여투과실험을진행하였으며피부를투과한마디풀의함량은최대흡수파장 (360 nm) 에서의흡광도를이용하여정량하였다 피부준비경추탈골로치사시킨 ICR mouse (12주령, 암컷 ) 의등피부를적출하여피하지방을제거하고 mm로자른후사용하였다 시료준비 1,3-butylene glycol 5 ml에마디풀추출물의에틸아세테이트분획 g을완전히녹여서 0.1% (w/v) 마디풀추출물용액을제조하였다. 나노에멀젼은상기에서술한바와같이제조하였고 3주이내의시료를실험에사용하였다 Franz Diffusion Cell을이용한투과실험 ICR mouse 등피부를각질층부분이위로향하도록하여 Franz diffusion cell의 donor와 receptor phase 사이에고정시킨다. 5 ml의 2% HCO-60 (20% 에탄올 ) 를 receptor chamber에넣고, 온도를 37 로유지하였으며 24 h 동안일정하게교반하였다 (150 rpm). 앞서제조한나노에멀젼과 1,3-butylene glycol 용액 0.5 ml를각각피부에적하한후 8 h 간격으로 0.75 ml의 receptor phase를취하였다. 채취직후동량의 receptor solution를보충하였다. 피부를통과한마디풀추출물의함량 (Transdermal) 을 UV spectrophotometer로분석하였다. 24 h 후피부표면을 PBS로 3회세척한후각질층에존재하는마디풀추출물을정량하기위하여, tape stripping (3M scotch tape, Korea 3M) 을 3회실시하여각질층을떼어내었고 [22] 이를에탄올에넣고초음파처리하였다. Tape에서추출한마디풀추출물 (Tape) 은감압하 2.6. 통계처리모든실험은 3회반복하였고통계분석은 5% 유의수준에서 Student s t-test를행하였다. 3. 결과 3.1. 마디풀추출물나노에멀젼의물리화학적특성초고압유화장치인 microfluidizer는분산이나리포좀및나노에멀젼제조에많이사용되는장비이다. 이기기는에멀젼이나콜로이드용액에높은압력을가한후 interaction chamber (IXC) 를통과시켜입자의크기를일정하게분쇄하는방식으로입자를나노화하는특징이있다 [23]. Microfluidizer로제조된나노입자는높은압력에의한전단력의증가로입자크기가작아지며, microfluidizer의통과횟수에따라입자크기의평균직경은일정한크기로감소하는것으로알려져있다 [24]. 0.1% 마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한 O/W 에멀젼을 Table 1에있는처방으로균질기를이용하여제조하였다. 제조된에멀젼을고압유화장치인 microfluidizer를 5회반복통과시켜서나노에멀젼을제조하였다. 0.1% 마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한에멀젼과나노에멀젼의입자크기와포집효율을 Table 2에나타내었다. 제조후일반에멀젼은다분산형태로일정한입자크기를나타내지않았으나, 나노에멀젼은평균입자크기가초기에 238 nm로단분산형태의일정한입도분포를보여주었다. 흡광도법으로측정한추출물의포집효율은일반에멀젼과나노에멀젼모두 98% 이상으로나타났다. Table 1의에멀젼처방은대조군인일반에멀젼이마디풀추출물의피부흡수에미치는영향을최소화시키기위한것이다. 따라서계면활성제 HCO-60의함량은 3.0%, 에탄올은 1.0% 로하고약 10% 의오일을함유하는에멀젼처방을만들었다. Table 1의처방으로제조한에멀젼을 microfludizer를이용하여나노에멀젼을제조하고, microfludizer를사용하지않은일반에멀젼과나노에멀젼을대상으로 3주동안제형의안정성을비교하였다 (Table 3). 나노에멀젼은 3 주동안입자크기가약간은증가하였으나일정한단분산형태의일정한입도분포를나타내었다. 한편, 일반에멀젼은초기부터 3주내내다분산형태의일정하지않은입자크기를나타내었다. 이러한결과는일반에멀젼에서볼수있는침전이나크리밍과같은에멀젼의분리현상이나노에멀젼에서는나타나지않고오히려입자크기가일정한안정한단분산형태의나노에멀젼을유지함을가리킨다. 공업화학, 제 23 권제 2 호, 2012

4 225 Table 3. Size distribution of Emulsion and Nano-emulsion Containing P. aviculare Extract during Storage Time (day) Microfluidizer 0 cycle (Emulsion) ± 30.5 nm ± nm ± nm 89.0 ± 10.5 nm ± 85.2 nm ± nm ± 16.3 nm ± 70.2 nm ± nm Microfluidizer 5 cycle (Nano-emulsion) ± nm ± nm ± nm 3.2. Franz Diffusion Cell을이용한나노에멀젼의피부투과능력평가 Franz diffusion cell을이용하여, 마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼의피부투과능력을평가하였다. 피부일정면적에대한시간별마디풀추출물의투과량은 Figure 2에나타내었다. 대조군의용매로는피부자극이거의없고보습효과가있는 1,3-butylene glycol을사용하였다. 나노에멀젼은대조군에비하여시간별마디풀추출물의피부투과량이더크게나타났다. 나노에멀젼과 1,3-butylene glycol 모두 8 h까지는시간의존적으로추출물의피부투과량이증가하였다. 24 h 후마디풀추출물의누적투과량 (Transdermal) 은 1,3-butylene glycol 용액의경우 34.6 µg이었고, 나노에멀젼은 45.9 µg으로초기적하량 500 µg에대하여각각 6.9% 및 9.2% 의투과율을나타내었다 (Figure 2). Figure 3은 24 h 후, 각질층에존재하는마디풀추출물 (Tape), 각질층을제외한표피 + 진피에존재하는마디풀추출물 (Skin), 그리고피부를통과하여 receptor phase에존재하는마디풀추출물 (Transdermal) 의함량 (a) 과초기적하량에대한흡수비율 (b) 을나타낸것이다. 각질층에존재하는마디풀추출물의함량 (Tape) 은 1,3-butylene glycol 용액의경우는 6.0% 였고, 나노에멀젼이 9.0% 로나노에멀젼의경우가각질층에약간더존재하는것으로나타났다. 각질층을제외한피부 ( 표피 + 진피 ) 로침투된마디풀추출물의함량 (Skin) 은 1,3- butylene glycol과나노에멀젼에서각각 42.0, 86.0 µg (Figure 3(a)) 으로초기적하량에대한마디풀추출물의침투율로환산할경우각각 8.0 및 17.0% 로나노에멀젼의경우표피와진피에존재하는추출물의양이훨씬많은것으로나타났다 ( 약 2.1배 ). 피부를통과하여 receptor phase에존재하는마디풀추출물 (Transdermal) 의함량비율은 1,3-butylene glycol과나노에멀젼이각각 6.9 및 9.2% 로나노에멀젼이다소투과량이크게나타났음을보여주고있다 (Figure 3). 피부에침투된마디풀추출물에틸아세테이트분획의총함량은초기적하량 500 µg에대하여 1,3-butylene glycol과나노에멀젼에서각각 및 µg으로측정되었다. 이를초기적하량에대한마디풀 Figure 2. In vitro skin permeation profiles of 1,3-butylene glycol solution and nano-emulsion containing P. aviculare extract through ICR albino mouse skin. 추출물의피부흡수율로환산하면각각 21.5 및 35.9% 이었으며, 이는나노에멀젼제형을이용할경우더많은양의마디풀추출물이피부로전달되었음을나타내는결과이다. 이러한결과는나노에멀젼이입자크기가작기때문에피부로의침투가용이하고, 유효성분의피부흡수를증진시킬수있다견해들과도일치한다 [25]. 4. 결론 본연구에서는항산화및항노화활성이우수한마디풀추출물을화장품에응용하기위하여추출물의피부전달을증진시키기위한추출물함유나노에멀젼을제조하고이나노에멀젼의물리화학적 Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 2, 2012

5 226 임명선 박민아 박수남 (a) Figure 3. Proportions of permeated amount of 1,3-butylene glycol solution and nano-emulsion containing P. aviculare extract through ICR albino mouse skin after 24 h incubation (Tape: stratum corneum, Skin : epidermis without stratum corneum plus dermis, Transdermal : receptor chamber). (b) 특성및피부투과능력을평가하여다음과같은결론을얻었다. 1) 0.1% 마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한에멀젼을균질기를이용하여제조한후, 제조된에멀젼을 microfluidizer를 5회반복통과시켜서나노에멀젼을제조하였다. 2) Microfluidizer를사용하지않는일반에멀젼은다분산형태로일정한입자크기를나타내지않았으나, 나노에멀젼은평균입자크기가초기에 238 nm로단분산형태의일정한입도분포를나타내었다. 추출물의포집효율은일반에멀젼과나노에멀젼모두 98% 이상으로나타났다. 3) 일반에멀젼과나노에멀젼을대상으로 3주동안안정성시험결과나노에멀젼은 3주동안입자크기가약간은증가하였으나일정한단분산형태의일정한입도분포를나타낸반면, 일반에멀젼은초기부터 3주내내다분산형태를나타내었다. 4) Franz diffusion cell을이용하여마디풀추출물함유나노에멀젼의피부투과능력을평가한결과, 나노에멀젼은대조군 (1,3-butylene glycol 용액 ) 에비하여시간별마디풀추출물의피부투과량이더크게나타났다. 나노에멀젼과 1,3-butylene glycol 모두 8 h까지는시간의존적으로추출물의피부투과량이증가하였고, 24 h 후마디풀추출물의누적투과량 (Transdermal) 은 1,3-butylene glycol과나노에멀젼각각 34.6 및 45.9 µg으로초기적하량 500 µg에대하여각각 6.9 및 9.2% 의투과율을나타내었다. 5) 피부투과실험에서, 각질층에존재하는마디풀추출물의함량 (Tape) 은 1,3-butylene glycol 및나노에멀젼이각각 6.0 및 9.0% 로나노에멀젼의경우가각질층에약간더존재하는것으로나타났다. 6) 각질층을제외한피부 ( 표피 + 진피 ) 로침투된마디풀추출물의함량 (Skin) 은, 1,3-butylene glycol과나노에멀젼에서각각 42.0, 86.0 µg으로초기적하량에대한마디풀추출물의침투율로환산할경우각각 8.0 및 17.0% 로나노에멀젼의경우표피와진피에존재하는추출물의양이훨씬많은것으로나타났다. 7) 피부를통과하여 receptor phase에존재하는마디풀추출물 (Transdermal) 의함량비율은 1,3-butylene glycol과나노에멀젼이각 각 6.9 및 9.2% 로나노에멀젼이다소투과량이크게나타났음을보여주고있다. 8) 피부에침투된마디풀추출물에틸아세테이트분획의총함량은초기적하량 500 µg에대하여 1,3-butylene glycol과나노에멀젼에서각각 및 µg으로측정되었다. 이를초기적하량에대한마디풀추출물의피부흡수율로환산하면각각 21.5 및 35.9% 이었으며, 이는나노에멀젼제형을이용할경우더많은양의마디풀추출물이피부로전달되었음을나타내는결과이다. 이상의결과들은마디풀추출물의에틸아세테이트분획을함유한나노에멀젼이피부흡수를증진시킬수있는, 화장품에서유효성분을피부로전달하기위한적합한시스템이될수있음을시사한다. 참고문헌 1. B. R. Won. M. K. Kang, and S. N. Park, J. Soc. Comet. Scientist, Korea., 35, 79 (2009). 2. L. Houillot, J. Nicolas, M. Save, and B. Charleus, Langmuir, 21, 6726 (2005). 3. A. Musyanovych, V. Mailander, and K. Landfester, Biomacromolecules, 6, 1824 (2005). 4. W. Seifriz, Science, 87, 212 (1938). 5. M. Cajkovac, L. Oremovic, and V. Cajkovac, Pharmazie, 47, 39 (1992). 6. M. Sznitowska, K. Zurowska-Pryczkowska, S. Janicki, and T. Jarvinen, Int. J. Pharm., 184, 115 (1999). 7. P. F. Yue, H. L. Yuan, W. F. Zhu, L. B. Cong, H. Xie, Z. G. Liu, L. J. Wang, and X. H. Xiao, Biol. Pharm. Bull., 31, 45 (2008). 8. R. Barnadas-Rodriguez and M. Sabes, Int. J. Pharm., 213, 175 (2001). 9. A. Towata, M. Sivakumar, K. Yasui, T. Tuziuti, T. Kozuka, and Y. Lida, Ultrason Sonochem, 14, 705 (2007). 10. P. Izquierdo, J. Feng, J. Esquena, T. F. Tadros, J. C. Dederen, M. J. Garcia, M. Azemar, and C. Solans, J. Colloid Interface Sci., 공업화학, 제 23 권제 2 호, 2012

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