本发明属于骨修复材料领域，具体涉及一种多孔金属骨内置物制备方法。
背景技术：
交通事故、意外以及疾病等各种原因每年都会造成大量的骨骼创伤和骨缺损病例，而在临床上一般需要用骨内置物对这些缺损创伤进行填充，以达到力学支撑和帮助骨组织愈合的目的。在实践过程中，多孔金属(如钛、钽等)制造的内置物因其具有良好的力学性能和生物安全性，因此已被广泛应用于骨缺损修复中。
目前有一些较为成熟的技术已经运用于制造不同金属材料的多孔内置物，比如通过气相化学沉积技术利用化学反应在多孔表面沉积金属；这种方法虽然可以得到高度均匀，孔隙完全联通的多孔钽；但缺点是这种方法只能用于钽等几种金属元素，不能用于制造多孔钛等；此外，这种方法使用特种设备(气相化学反应器)，涉及复杂的条件控制和操作过程，成本很高。
另外还可以通过高分子泡沫模板法进行多孔内置物的制造，该方法的优点是不限于金属材料的种类和不使用特殊设备，但缺点是在制造过程中所使用的粘结剂往往具有高粘度和成膜性，因此工艺过程中常常在孔的部分开口处残余一层膜，这层膜最终变成一层金属，造成部分孔隙成为闭孔，经验表明这个缺陷很难避免；此外，这种工艺比较简单，但也依赖于手工技艺，工艺的稳定性存在很大缺陷。
还有颗粒堆积模板法也可以实现多孔内置物的制造，该方法虽然成本较低，但一般只能制造形态相对简单的多孔金属，而无法制造具有特定设计形态的多孔金属，因此运用范围较窄。
又比如说通过电子束或者激光进行3d打印，该方法虽然原则上可以实现任何形态的多孔金属的打印制造，但是由于金属3d打印设备成本及其使用和维护均很昂贵，打印材料也很昂贵，而且打印金属内部容易有孔隙和热应力，造成材料强度较低，容易产生疲劳和磨损甚至发生脆断，因而在推广应用中存在局限。此外，由于3d打印本质是金属的熔化、快速冷却过程，因此在快速冷却过程中容易形成非平衡态(过饱和)的金相组织。如，钛的3d打印会形成钛马氏体。而非平衡态的组织的自由能高于平衡态组织，因此腐蚀速率也高于平衡态组织。
申请号为cn201610439554.0的发明专利公开了一种用于3d打印人造骨材料，所述材料按重量份计由如下组分组成：生物金属粉末40～60份、非金属粉末30～40份、聚碳酸酯20～32份、聚维酮k305～8份、烟酸0.5～0.7份、多巴胺0.02～0.1份。该发明提供的人造骨材料不仅强度高，而且通过组分中的多巴胺、烟酸、聚维酮k30与其他材料的作用，使得多骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，能实现与骨骼牢固结合，防止疲劳和磨损，并且该发明提供的材料在不加重单位材质重量的情况下克服了现有材料中在容易接合活动以及体内酸性介质的影响所导致材料的应力下降的技术问题，大大提高了材料的应力。
但是通过分析该专利可以发现，其生物金属粉末的质量比例上限为60份，聚碳酸酯的下限为20份，因此生物金属粉末与聚碳酸酯的质量比最高为60：20；其中的生物金属粉末以钛为例，钛的密度为4.2g/cm3，而聚碳酸酯的密度为0.92g/cm3到1.2g/cm3之间，这里取聚碳酸酯密度为1.2；因此可以通过计算得出钛与聚碳酸酯体积比最高为(60/4.2):(20/1.2)＝14.29:16.67。可以发现，生物金属粉末的体积占比低于50％。因此，经过该专利所述的“排胶”处理后，聚碳酸酯部分都会变成金属粉末之间和周边的孔隙，而且其孔隙的总体积超过金属粉末的总体积。根据材料学知识可以知道这种结构的稳定性会很脆弱，易于崩散，因此在实际操作过程中可控性较差，稳健性以及可推广性存在缺点。
技术实现要素：
本发明的目的在于：提供一种多孔金属骨内置物的制备方法，该种制备方法不限于金属材料的种类，所制得的多孔金属骨内置物的孔隙大小易于控制，整体的形态可调，且结构稳定、机械性能可靠性高，整个工艺流程简单，环境要求低，制造成本低，可推广性高。
本发明采用的技术方案如下：
一种多孔金属骨内置物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取2.5～7份重量的聚乙烯醇粉末溶于100份重量的热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置金属粉末/聚乙烯醇浆料：取45～80份重量的金属粉末分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成金属粉末/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：将低熔点材料用3d打印机打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的金属粉末/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；
(6)溶解：用与步骤(3)中低熔点材料相适配的溶剂处理步骤(5)得到的凝胶，溶解凝胶内的低熔点材料模板，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体进行干燥、去除水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
其中，步骤(1)中的聚乙烯醇平均聚合度不小于1700，热水温度高于90℃。
其中，步骤(2)中金属粉末为钛、钽或者ti-6al-4v。
其中，步骤(3)中低熔点材料为石蜡、聚乳酸或者尼龙。
其中，在步骤(5)与步骤(6)之间增加步骤(5.1)，
步骤(5.1)：将步骤(5)自然冷却后的凝胶放入冰箱中冷冻到0℃至-20℃后，再继续冷冻0.5小时至3小时，将冷冻后的凝胶取出自然恢复到室温。
其中，重复步骤(5.1)至少两次。
其中，步骤(6)中选用的溶剂为与步骤(3)中所用的石蜡相适配的正己烷，或者为与聚乳酸相适配的二氯甲烷，或者为与尼龙相适配的间甲基苯酚。
其中，步骤(7)中采用烘箱进行干燥，且烘箱的温度为40℃至80℃。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过利用3d打印骨内置物模板能够通过力学计算然后设计出最佳受力的多孔骨内置物结构，同时也能制造出孔径、孔隙率按照一定所需规律变化的具有空间孔隙分布的多孔骨内置物结构；另外，3d打印中采用廉价的低熔点物质为模板，避免了直接使用昂贵的金属3d打印机，节约了工艺制造成本，同时，石蜡、聚乳酸、尼龙等低熔点材料在3d打印时不需要提供高温、真空等外界环境条件，因此也进一步提升了该生产工艺大范围推广的优势。另一方面，通过对3d打印的模板进行灌模、凝胶、溶解、干燥、烧结等一系列步骤，所得到的制品不仅在机械性能上具有很高的可靠性，而且通过实验可发现：采用本方法制造的孔径为400μm～700μm的多孔钛金属中，达到至少98％的孔间连通通道的直径≥200μm；而对比于采用颗粒堆积模板法制造的多孔钛金属，在相同孔径情况下，约有20％的孔间通道存在局部狭窄，造成局部直径<200μm。因此本发明所得到的金属骨内置物的整体质量更优；同时，本发明整个过程的制造流程简单，生产成本低且十分有利于工业化应用，适合大规模推广。
2、本发明中，设置聚乙烯醇平均聚合度不小于1700，这样保证了聚乙烯醇溶液粘度充分，使浆料中金属和液相不分离；另外，分子量大的聚乙烯醇粘结力强，这样赋予了凝胶和三维灌注体充分的强度，保证了干燥后的灌注体不易溃散。将热水温度设置高于90℃，这样保证了聚乙烯醇迅速、充分地溶解，为配制良好的金属粉末/聚乙烯醇浆料提供了保障。
3、本发明中，将钛、钽或者ti-6al-4v作为制备多孔金属骨内置物的金属材料，它们具备较高强度、耐腐蚀、对人体无毒等特性，因此相较于一般的金属粉末更加适合作为原料制备多孔金属骨内置物。
4、本发明中，选取石蜡、聚乳酸或者尼龙进行3d打印，这样首先保证了打印模板的稳定性，另外石蜡、聚乳酸以及尼龙取材方便且价格较为低廉，在打印过程中也不需要提供高温、真空等严苛的环境条件，因此制造方便且成本较低，更方便本发明的推广使用。
5、本发明中，通过将凝胶进行冷冻后解冻，增强聚乙烯醇的物理交联，使得凝胶整体的结构性能更优秀；通过对凝胶进行多次的冷冻后解冻，更进一步增强了凝胶整体的结构性能，对溶解低熔点材料模板后得到的三维灌注体的稳定性有显著提升。
6、本发明中，将烘箱温度设置于40℃至80℃之间一个适当的温度，有利于去除三维灌注体内部水分，使后续真空烧结得以实施，最终实现多孔金属骨内置物整体的稳定性和力学强度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种多孔金属骨内置物的制备方法，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取2.5份重量且平均聚合度为1750的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置钛/聚乙烯醇浆料：取50份重量的钛粉分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成钛/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量石蜡，利用3d打印机将石蜡打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的钛/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-5℃，并保持3小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤6次。
(6)溶解：取适量正己烷处理步骤(5)得到的凝胶，正己烷溶解凝胶内的石蜡，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为60℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体进行烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例2
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取5份重量且平均聚合度为2400的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置钛/聚乙烯醇浆料：取80份重量的钛粉分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成钛/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量石蜡，利用3d打印机将石蜡打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的钛/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-20℃，并保持1小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤4次。
(6)溶解：取适量正己烷处理步骤(5)得到的凝胶，正己烷溶解凝胶内的石蜡，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为55℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例3
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取7份重量且平均聚合度为1750的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置钛/聚乙烯醇浆料：取80份重量的钛粉分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成钛/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量聚乳酸，利用3d打印机将聚乳酸打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的钛/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-20℃，并保持2小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤4次。
(6)溶解：取适量二氯甲烷处理步骤(5)得到的凝胶，二氯甲烷溶解凝胶内的聚乳酸，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为55℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例4
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取3份重量且平均聚合度为1750的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置钽/聚乙烯醇浆料：取50份重量的钽粉分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成钽/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量石蜡，利用3d打印机将石蜡打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的钽/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-5℃，并保持2.5小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤5次。
(6)溶解：取适量正己烷处理步骤(5)得到的凝胶，正己烷溶解凝胶内的石蜡，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为55℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例5
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取6份重量且平均聚合度为2400的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置钽/聚乙烯醇浆料：取70份重量的钽粉分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成钽/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量聚乳酸，利用3d打印机将聚乳酸打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的钽/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-5℃，并保持2.5小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤5次。
(6)溶解：取适量二氯甲烷处理步骤(5)得到的凝胶，二氯甲烷溶解凝胶内的聚乳酸，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为55℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例6
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取6份重量且平均聚合度为2400的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置钽/聚乙烯醇浆料：取70份重量的钽粉分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成钽/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量尼龙，利用3d打印机将尼龙打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的钽/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-5℃，并保持2.5小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤5次。
(6)溶解：取适量甲基苯酚处理步骤(5)得到的凝胶，甲基苯酚溶解凝胶内的尼龙，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为55℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例7
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
在(1)配置聚乙烯醇溶液：取2.5份重量且平均聚合度为1750的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为93℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料：取50份重量的ti-6al-4v分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量石蜡，利用3d打印机将石蜡打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-20℃，并保持0.5小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤8次。
(6)溶解：取适量正己烷处理步骤(5)得到的凝胶，正己烷溶解凝胶内的石蜡，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为60℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例8
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取4份重量且平均聚合度为2400的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料：取60份重量的ti-6al-4v分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量聚乳酸，利用3d打印机将聚乳酸打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-10℃，并保持1.5小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤6次。
(6)溶解：取适量二氯甲烷处理步骤(5)得到的凝胶，二氯甲烷溶解凝胶内的聚乳酸，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为60℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
实施例9
制备多孔金属骨内置物，包括如下步骤：
(1)配置聚乙烯醇溶液：取7份重量且平均聚合度为2400的聚乙烯醇粉末溶解于100份重量的温度为95℃热水中，待聚乙烯醇完全溶解后形成聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇溶液冷却至室温；
(2)配置ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料：取80份重量的ti-6al-4v分散在步骤(1)制得的聚乙烯醇溶液中，搅拌形成ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料；
(3)铸模：取适量尼龙，利用3d打印机将尼龙打印成为骨内置物模板；
(4)灌模：在常压或者加压条件下将步骤(2)制得的ti-6al-4v/聚乙烯醇浆料注入步骤(3)制得的骨内置物模板中形成模板—浆料复合体；
(5)凝胶：将步骤(4)制得的模板—浆料复合体自然冷却至室温形成凝胶；将凝胶放入冰箱中冷冻到-10℃，并保持3小时，将冷冻后的模板—浆料复合体取出自然恢复到室温，重复后续冷冻-解冻的步骤6次。
(6)溶解：取适量甲基苯酚处理步骤(5)得到的凝胶，甲基苯酚溶解凝胶内的尼龙，得到三维灌注体；
(7)干燥：将步骤(6)得到的三维灌注体置于温度为60℃的烘箱中进行干燥、去除三维灌注体中的水分；
(8)烧结：将经步骤(7)干燥后的三维灌注体真空烧结，制得多孔金属骨内置物。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。