UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE
DEPARTAMENTO DE ODONTOLOGIA GRADUAÇÃO EM ODONTOLOGIA
FRANCISCO JOÃO DE SOUZA NETO
ANÁLISE QUÍMICA DE SISTEMAS DE OSTEOSSÍNTESE UTILIZADOS EM CIRURGIA ORTOGNÁTICA Natal-RN 2016
Francisco João de Souza Neto
ANÁLISE QUÍMICA DE SISTEMAS DE OSTEOSSÍNTESE UTILIZADOS EM CIRURGIA ORTOGNÁTICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Odontologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito para a conclusão do Curso de Graduação em
Odontologia.
Orientador: Prof. Dr. José Sandro Pereira da Silva
NATAL-RN 2016
ANÁLISE QUÍMICA DE SISTEMAS DE OSTEOSSÍNTESE UTILIZADOS EM CIRURGIA ORTOGNÁTICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Odontologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito para a conclusão do Curso de Graduação em
Odontologia. Aprovado em ___/___/ ____ BANCA EXAMINADORA ______________________________________________________ Prof. Dr. José Sandro Pereira da Silva
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
______________________________________________________ Prof. Dr. Wagner Ranier Maciel Dantas
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
______________________________________________________ Prof. Dr. Adriano Rocha Germano
AGRADECIMENTOS
Agradeço à todos que colaboraram direta e indiretamente para a realização desta monografia, em especial aos meus amigos da graduação, Ewerton Emídio, Pedro Leonardo, Reginaldo Fernandes, Victor Paulo, Douglas Brito, Carlos Morais, Matheus Barros, Augusto Cezar e Rodolfo lira, pela amizade sincera e ajuda nos momentos em que mais precisei, ao meu orientador, Prof. Dr. José Sandro, pelas orientações, ensinamentos e paciência dedicados a mim ao longo da produção deste trabalho, aos demais professores da graduação pelos conhecimentos transmitidos com maestria e, principalmente, à minha mãe, meus irmãos e meus padrinhos por todo o carinho, cuidados, e amor dedicados a mim ao longo da minha vida.
Obrigado!
SUMÁRIO RESUMO... 01 SUMMARY...02 INTRODUÇÃO ...02 MATERIAIS E MÉTODOS ...04 GRUPOS EXPERIMENTAIS...04
PREPARO DAS AMOSTRAS ...05
FLUORESCÊNCIA DE RAIO-X COM ENERGIA DISPERSIVA...05
ANÁLISE ESTATÍSTICA ... 05 RESULTADOS... 06 DISCUSSÃO... 09 REFERÊNCIAS... 12
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ANÁLISE QUÍMICA DE SISTEMAS DE OSTEOSSÍNTESE UTILIZADOS EM CIRURGIA ORTOGNÁTICA
CHEMICAL ANALYSIS OF OSTEOSYNTHESIS SYSTEMS USED IN ORTHOGNATHIC SURGERY
Francisco João de Souza Neto1, José Sandro Pereira da Silva1, Petrus Pereira Gomes1, Adriano Rocha Germano1,Sandro Campos Amico2
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Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN, Department of Dentistry, Natal, RN, Brazil
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Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, Department of Materials Engineering, Porto Alegre, RS, Brazil
RESUMO
Este estudo analisou e comparou a composição química de sistemas de fixação interna rígida (FIR) pertencentes a três marcas comerciais distintas (BiomK®, Engimplan® e Osteomed®). Foram utilizados seis miniplacas e seis parafusos de titânio distribuídos em três grupos experimentais (Marcas) compostos por duas miniplacas (uma do sistema 1,5 mm e uma de 2,0 mm) e dois parafusos (um do sistema 1,5 mm e um de 2,0 mm) cada. Os dispositivos foram submetidos à EDXRF (fluorescência de raios-X com energia dispersiva) num espectrômetro Niton™ XL3t Ultra Analyzer, Thermo Scientific™ e os resultados foram analisados pelo SPSS 20. Todos os parafusos e placas revelaram como seus constituintes fundamentais, respectivamente, a liga Ti-6Al-4V e o cpTi (titânio comercialmente puro). Elementos distintos foram detectados especificamente em alguns dispositivos. Os parafusos do sistema 2,0 mm apresentaram concentrações de alumínio maiores do que os do sistema 1,5 mm. Não houve diferença estatística significativa entre o percentual dos elementos químicos comuns às composições dos objetos analisados (p>0,05). Os resultados observados nos mostraram que não há conformidade qualitativa e quantitativa entre as composições químicas dos dispositivos analisados neste estudo e que elementos detectados especificamente em alguns dispositivos podem estar relacionados à contaminação e/ou técnicas de fundição. Além disso, a maior concentração de alumínio nos parafusos 2,0 mm pode estar relacionada a tentativa de melhoramento de suas propriedades. Sistemas de associação entre cpTi e a liga Ti-6Al-4V são
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considerados biocompatíveis com os tecidos, porém são necessários mais estudos sobre a ocorrência da corrosão galvânica.
Palavras-Chave: fixação interna de fraturas, espectrometria por raios x, parafusos ósseos, placas ósseas.
SUMMARY
This study anlyzed and compared the chemical composition of rigid internal fixation systems (FIR) belonging to three distinct trademarks (BiomK®, Engimplan® and Osteomed®). Six miniplates and six titanium screws were used, distributed in three experimental groups (Marks) composed of two miniplates (one of the system 1.5 mm and one of 2.0 mm) and two screws (one of the system 1.5 mm and One of 2.0 mm) each. The devices were subjected to EDXRF (dispersive energy X-ray fluorescence) on a Niton ™ XL3t Ultra Analyzer, Thermo Scientific ™ spectrometer and the results were analyzed by SPSS 20. All screws and plates revealed as their fundamental constituents, respectively, the Ti-6Al-4V alloy and the cpTi (commercially pure titanium). Different elements were specifically detected in some devices. The screws of the 2.0 mm system had higher aluminum concentrations than the 1.5 mm system. There was no statistically significant difference between the percentage of chemical elements common to the compositions of the objects analyzed (p> 0.05). The observed results showed that there is no qualitative and quantitative compliance between the chemical compositions of the devices analyzed in this study and that elements detected specifically in some devices may be related to contamination and / or casting techniques. In addition, the higher aluminum concentration in the screws 2.0 mm may be related to the attempt to improve its properties. Association systems between cpTi and the Ti-6Al-4V alloy are considered biocompatible with the tissues, but further studies on the occurrence of the galvanic corrosion are required.
Key Words: fracture fixation, internal, spectrometry, x-ray emission, boné screws, bone plates.
INTRODUÇÃO
Tomando por referência estudos em biomecânica dos ossos longos, foram desenvolvidos dispositivos metálicos de tamanhos reduzidos adaptados à fixação de fraturas do esqueleto facial (1), conhecidos pela denominação de sistemas de fixação interna rígida
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(FIR) e caracterizados por parafusos e placas de titânio com diferentes dimensões e com aplicações especificas para diferentes situações clínicas (2,3). O desenvolvimento dos sistemas de FIR representou um avanço significativo nos diversos segmentos da cirurgia Buco-Maxilo-Facial, tais como a traumatologia, a cirurgia ortognática e a reconstrução dos ossos maxilares. Esses sistemas fabricados à base de titânio comercialmente puro ou de suas ligas possibilitam reconstruções cirúrgicas mais completas pelo fato de melhorar a estabilidade e redução dos fragmentos ósseos, além de proporcionar o retorno à função em menor tempo, uma vez que a fixação rígida por vezes dispensa o bloqueio maxilo-mandibular (3).
Diversos materiais têm sido utilizados para a fabricação destes sistemas, sendo o titânio e suas ligas os principais deles. A preferência pelo titânio deve-se às suas propriedades biomecânicas (combinação de elevada resistência mecânica e térmica, baixa massa específica e alta resistência à corrosão), além do alto grau de biocompatibilidade com os tecidos vivos, o que o torna apropriado para ser utilizado em situações nas quais todas ou algumas dessas propriedades são necessárias, principalmente na estabilização e fixação de fraturas do esqueleto facial (4,5,6). Desse modo, a FIR por miniplacas e parafusos é o método mais utilizado para fixar osteotomias (7,8), existindo uma grande variedade de marcas comerciais nacionais e importadas disputando o mercado desses dispositivos.
A composição química de um sistema de fixação pode variar de acordo com os métodos de fabricação adotados pelas marcas comerciais, o que pode influenciar negativamente no comportamento mecânico e na biocompatibilidade dos dispositivos (5,8). Essas variações de composição química podem ser observadas com o auxílio da XRF (Fluorescência de Raios-X), uma técnica analítica instrumental e não destrutiva utilizada com fins qualitativos e/ou quantitativos que se baseia na medição das intensidades dos raios-x característicos emitidos pelos elementos constituintes de uma amostra excitada por partículas como prótons, elétrons ou íons produzidos por tubos de raios-x (9). Trata-se de uma técnica versátil muito utilizada para analisar amostras metálicas e não metálicas em estado sólido ou líquido de alta viscosidade sem necessitar do tratamento exaustivo das mesmas, sendo atualmente bastante disseminada na comunidade científica por possibilitar a determinação de elementos químicos de forma rápida e sem destruir a amostra (10).
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Dentre as variações existentes da XRF, a EDXRF (fluorescência de raios-X com energia dispersiva) é a técnica mais utilizada em caso de análise qualitativa e quantitativa de amostras sólidas, sobretudo amostras metálicas, tendo um excelente custo benefício em relação às demais técnicas (11). Nela, a excitação dos átomos ocorre quando a amostra é exposta a um feixe de raios-X, levando os átomos dos elementos presentes a um estado energético de excitação. Quando isso acontece um elétron das camadas energéticas mais internas dos átomos é deslocado e rapidamente substituído por outro proveniente das camadas mais superficiais, fazendo com que haja liberação de energia na forma de raio-x fluorescente emitida em comprimento de onda específico para cada elemento químico e de intensidade proporcional à sua concentração na amostra, caracterizando a dispersão dos raios-x característicos. Então, o termo "energia dispersiva" refere-se à técnica de detecção desses raios-x, a qual é feita a partir de um detector semicondutor de silício (Si) que, de maneira multielementar e simultânea, realiza a medição das intensidades dos raios-x característicos emitidos (9).
Diante do exposto, o presente trabalho submeteu à EDXRF sistemas de FIR de três marcas distintas e comparou os resultados objetivando esclarecer se há equivalência de composição química entre eles, bem como constatar a possível presença de contaminantes.
MATERIAIS E MÉTODOS
GRUPOS EXPERIMENTAIS
Foram utilizados seis miniplacas e seis parafusos, sendo metade do sistema 1,5 mm e a outra metade do sistema 2,0 mm, pertencentes às seguintes marcas comerciais: Biomk® (Biomaterials Korea, Seoul, Republic of Korea), Engimplan® (Engenharia de Implantes Ind. Com. Ltda., Rio Claro, São Paulo, Brasil), e Osteomed® (Osteomed Indústria e Comércio de Implantes Ltda., Rio Claro, São Paulo, Brasil).
Os sistemas foram divididos em três grupos amostrais (Osteomed®, Engimplan® e BiomK®) compostos por duas placas (uma do sistema 2,0 mm e uma de 1,5 mm) e dois parafusos (um do sistema 2,0 mm e um de 1,5 mm) cada (Figura 1).
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Figura 1: Da esquerda para a direita, sistemas de FIR Osteomed® 2,0 mm (acima) e 1,5 mm (abaixo), Engimplan® 2,0 mm (acima) e 1,5 mm (abaixo), BiomK® 2,0 mm (acima) e 1,5 mm (abaixo).
PREPARO DAS AMOSTRAS
As amostras foram incluídas em resina acrílica quimicamente polimerizável, totalizando 12 corpos-de-prova. As superfícies dos dispositivos foram limpas com algodão embebido em álcool etílico.
FLUORESCÊNCIA DE RAIO-X COM ENERGIA DISPERSIVA (EDXRF)
As amostram foram submetidas à análise química pela fluorescência de raios-x com energia dispersiva num espectrômetro Niton™ XL3t Ultra Analyzer, Thermo Scientific™ no
laboratório do departamento de engenharia de materiais da UFRGS. Esse método é o mais adequado para a análise de amostras sólidas por analisar um volume maior e preservar a estrutura da amostra, uma vez que que esta despensa o preparo com ataque ácido evitando a eventual dissolução de elementos da amostra.
ANÁLISE ESTATÍSTICA
Os dados foram alocados em um banco de dados e analisados pelo SPSS® 20. Assumindo a não normalidade da amostra o teste utilizado para comparar a composição química foi o teste Kruskal-Wallis, adotando nível de significância de 5%.
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RESULTADOS
Como exemplificado na figura 2, o certificado de verificação evidencia que todos os parafusos se apresentaram constituídos fundamentalmente pela liga Ti6Al4V, representando cerca de 99% das massas desses dispositivos, porém somente os parafusos 2,0 e 1,5 mm da Osteomed® estão totalmente de acordo com a norma ASTM F 1108-14 (Figura 3). Além disso, os parafusos do sistema 2,0 mm apresentaram maior porcentagem de alumínio em sua composição quando comparados aos do sistema 1,5 mm da mesma marca (Parafuso Biomk® ≈ 32% a mais, Parafuso Osteomed® ≈ 29% a mais, Parafuso Engimplan® ≈ 6% a mais) e algumas diferenças de composição foram evidenciadas como, Mg e Cd (Parafusos Biomk® e Osteomed®), Zn (Parafusos Biomk® e Engimplan®), Ni (Parafusos Osteomed® e Engimplan®) e Si (Parafusos Biomk®) (Tabela 1).
Figura 2: Certificado de verificação da EDXRF evidenciando a liga Ti6Al4V no parafuso Engimplan® 2,0 mm.
Figura 3: Porcentagem dos elementos químicos da liga Ti6Al4V, segundo a norma ASTM F 1108-14.
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Tabela 1 - Resultado da EDXRF dos parafusos. Parafuso BiomK 2,0 mm BiomK 1,5mm Engimplan 2,0 mm Engimplan 1,5 mm Osteomed 2 mm Osteomed 1,5 mm p
Sn % 0,009 <LOD 0,009 <LOD 0,016 <LOD a Cd % 0,006 <LOD <LOD <LOD 0,009 <LOD a Zr % 0,002 0,003 0,004 <LOD 0,005 <LOD a Zn % 0,085 <LOD <LOD 0,012 N N a Fe % 0,212 0,270 0,188 0,068 0,224 0,265 0,416 Mn % 0,073 0,094 0,115 0,079 0,109 <LOD 0,406 V % 3,982 4,142 4,187 4,253 4,400 4,267 0,415 Al % 7,297 4,991 7,654 7,173 6,211 4,426 0,414 Si % 0,210 <LOD <LOD <LOD <LOD <LOD a Mo % <LOD 0,003 0,008 <LOD 0,009 0,010 a Mg % <LOD 0,002 <LOD <LOD <LOD 0,004 a Ni % <LOD <LOD 0,032 <LOD 0,062 <LOD a Ti % 88,014 90,429 87,772 88,340 88,895 90,913 0,417 <LOD: Concentração inferior ao limite de quantificação do espectrômetro. "N": Elemento não encontrado. "a": O teste estatístico não pôde ser realizado.
Como exemplificado na figura 4, o certificado de verificação evidencia o titânio comercialmente puro, o cpTi como sendo o componente fundamental de todas as placas, representando em média 98,6% das massas destes dispositivos, se enquadrando como cpTi grau I de acordo com a norma ASTM F 67- 06 (Figura 5). Além disso, algumas diferenças de composição foram evidenciadas como, Cu, Zn e Si (Placas Biomk® e Osteomed®), V (Placas Engimplan®) (Tabela 2).
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.
Figura 4: Certificado de verificação da EDXRF evidenciando o cpTi na placa Engimplan® 2,0 mm.
Figura 5: Classificação dos graus de cpTi com as porcentagens dos elementos que o compõe, segundo a norma ASTM F 67- 06.
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Tabela 2- Resultado da EDXRF das placas. Placa BiomK 2,0 mm BiomK 1,5 mm Engimplan Engimplan 2,0 mm 1,5 mm Osteomed 2,0 mm Osteomed 1,5 mm p
Al % 2,726 2,554 <LOD <LOD <LOD <LOD a Fe % 0,037 0,044 0,092 0,062 0,100 0,087 0,416 Si % 0,679 <LOD <LOD <LOD 0,399 <LOD a Cu % <LOD 0,122 <LOD <LOD N 0,138 a Zn % <LOD 0,030 <LOD <LOD N 0,045 a W % <LOD 0,030 <LOD 0,030 0,071 <LOD a V % <LOD <LOD <LOD 0,133 <LOD <LOD a Nb % <LOD <LOD <LOD <LOD 0,002 <LOD a
Hf % N N N N 0,120 N a
Ti % 96,426 97,033 99,769 99,748 99,303 99,708 0,415 <LOD: Concentração inferior ao limite de quantificação do espectrômetro. "N": Elemento não encontrado. "a": O teste estatístico não pôde ser realizado.
DISCUSSÃO
Dentre os elementos comuns à composição química dos sistemas analisados neste estudo, além do titânio, os elementos Fe e Al constituíram achados comuns aos resultados de outros estudos que analisaram, dentre outros aspectos, a composição química de diferentes sistemas de FIR (5,8,13,14). Segundo a literatura, a presença de Fe e Al pode estar relacionada às diferentes técnicas de fundição que buscam a melhoria das propriedades físicas destes sistemas, pois, quando acrescentados aos dispositivos, promovem o aumento da sua resistência mecânica, alteração do módulo de elasticidade, além de alterar a densidade da liga devido à possibilidade de trabalho a frio, envelhecimento e refinamento (adição do Fe), bem
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como o aumento da maleabilidade que facilita a manipulação/adaptação das placas sobre os sítios de fixação, a redução da densidade e aumento na resistência à oxidação, tornando os dispositivos leves e resistentes (adição de Al) (8).
As diferenças de composição evidenciadas pela presença de diferentes elementos especificamente em alguns dispositivos como; Mg e Cd (Parafusos Biomk® e Osteomed®), Zn (Parafusos Biomk® e Engimplan®), Ni (Parafusos Osteomed® e Engimplan®), Si (Parafusos Biomk®), Cu, Zn e Si (Placas Biomk® e Osteomed®), V (Placas Engimplan®), Nb e Hf (Placas Osteomed®) e Al (Placas Biomk®), mostram que não há padronização de composição química entre os sistemas analisados neste estudo. Em outro estudo, numa análise ultraestrutural de sistemas de FIR,Si, Al, Fe e Zn foram detectados e segundo os autores estariam relacionados com processos de jateamento ou, no caso do Zn, poderia se tratar de resíduos de fabricação. Além disso, Cl, Mg, C, O, N e K também foram detectados na superfície dos sistemas e de acordo com os autores estariam relacionados aos processos de manipulação dos materiais, já que são depósitos que caracterizam componentes orgânicos (8).
Em relação aos percentuais de massa que o cpTi e a liga Ti-6Al-4V representaram nas amostras deste estudo, tais percentuais foram semelhantes aos encontrados num estudo que avaliou através da EDXRF a composição de 48 placas e 238 parafusos removidos de seres humanos. Nele, o cpTi representou cerca de 99% das massas das placas e a liga Ti-6Al-4V foi componente fundamental dos parafusos, e, levando em consideração a alta biocompatibilidade desses materiais, os pesquisadores concluíram que não seria necessária a remoção dos dispositivos, na ausência de complicações, mesmo após a formação do calo ósseo (15).
Nos sistemas analisados a combinação entre placas de cpTi e parafusos de Ti-6Al-4V foi unanime, porém, apesar do ganho em propriedades mecânicas e físicas com a utilização da liga Ti-6Al-4V - Limite de resistência de 860 MPa (12), o contato prolongado entre dispositivos com potenciais eletroquímicos diferentes pode resultar na corrosão galvânica (13), o que poderia vir a ocasionar complicações teciduais a longo prazo. Em 1999 um estudo que analisou 37 miniplacas retiradas de 23 pacientes a partir da MEV (microscopia eletrônica de varredura), evidenciou defeitos de superfície associados à presença de depósitos pigmentados em tecidos moles adjacentes (análise histológica), o que levou os autores a sugerirem que a corrosão do titânio pudesse acontecer em níveis mais acentuados do que a literatura da época relatara, porém afirmaram que tal fato não causou nenhuma interferência
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no processo de osseointegração dos casos analisados (16). Três anos mais tarde, a partir da estereomicroscopia, MEV e da EDXRF, um estudo analisou 50 miniplacas e parafusos de titânio recuperados de 39 pacientes, além de 18 miniplacas e 10 parafusos novos (grupo controle) e evidenciou que em ambos os grupos haviam irregularidades de superfícies em proporções semelhantes, indicando que eram resultados de falhas no processo de fabricação, ou no ato de inserção e/ou remoção cirúrgica do sistema, desconsiderando a ideia de corrosão do material (5).
Em outro estudo no qual 94 placas recuperadas de humanos foram analisadas por MEV, FRX e análise histológica de tecidos adjacentes às placas, os achados histológicos de células inflamatórias circunjacentes à algumas das placas analisadas não mostraram significância estatística entre a presença do sistema de FIR e a inflamação, o que fez os autores sugerirem que não se podia associar a inflamação tecidual à uma possível corrosão do material analisado, e que a remoção desses dispositivos após a osseointegração das fraturas seria desnecessária (17). Também almejando elucidar a ocorrência da corrosão, um estudo realizou um ensaio laboratorial com sistemas de FIR a partir dos testes de "perda de massa das amostras" e "densidade de corrente circulante no par galvânico" e concluíram que durante o período de testes não foi constatada a corrosão em nenhum dispositivo, bem como não houve perda de massa das amostras (18).
Como conclusões, com base nos resultados deste estudo e na literatura pesquisada, temos que as composições químicas dos sistemas são diferentes entre si, variando quantitativa e/ou qualitativamente entre dispositivos de marcas comerciais distintas, entre dispositivos de mesma marca e sistemas diferentes (1,5 e 2,0 mm) e entre dispositivos de mesma marca e mesmo sistema. Além disso, podemos concluir que a presença de diferentes elementos especificamente na composição de alguns dos dispositivos analisados pode estar relacionada à contaminação e/ou diferentes técnicas de fundição dos sistemas de FIR.
Sobre a maior concentração de alumínio nos parafusos do sistema 2,0 mm, provavelmente esteja relacionada a tentativa de aumentar a flexibilidade e resistência à tração, bem como de reduzir a densidade desses parafusos, os tornando tão leves quanto os parafusos de 1,5 mm.
Fundamentalmente, todas as placas e parafusos analisados são formados respectivamente por cpTi e Ti-6Al-4V e, segundo o que mostra a literatura, têm alta
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biocompatibilidade com os tecidos. Portanto a associação entre placas e parafusos de materiais diferentes pode ser considerada segura, porém mais estudos sobre a ocorrência da corrosão galvânica são necessários.
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