植入革命
第一次工业革命使用水和蒸汽动力来机械化生产。第二次革命使用电力创造出大批量生产。第三次革命使用电子和信息技术进行自动化生产。现在，在第三次革命的基础上，第四次工业革命正在进行，这是始于上个世纪中期的数字革命，其特征是技术融合，实体、数字和生物之间的界限变得模糊起来。
——克劳斯·施瓦布，世界经济论坛创始人
如今，我们的约翰·查恩雷已经成为外科学历史的一部分，与曾经的那些大师级外科医生比肩……查恩雷假体本质上是一件生物学设计，其设计者同时也是一位艺术家。莱昂纳多·达·芬奇也许想到过这样的作品。但今天，我们想到的是这个人，一位我们认识并喜爱的人。在奠定基础知识和减轻人类痛苦方面，他为外科世界做出了极大的贡献。1
——哈里·普拉特
我正在做肩部手术，但并没有穿戴手术衣、手术帽和口罩，而是身着衬衫，系着领带，套着实验室的白大褂，坐在办公室里。实际上，患者根本不在这里，只有三维立体成像的肩胛骨映在我面前的计算机屏幕上。几年前，世界上还没有任何肩外科医生能够处理斯坦利的病例，他的骨骼缺失和变形十分严重，而如今，这种情况几乎已经能够得到常规治疗。
4个月前，我在诊所第一次见到痛苦不堪的斯坦利。8年前，他在中西部接受了全肩关节成形术，尽管初步效果非常好，但在过去的几年中，他的肩膀越来越疼。我看了最初的X射线检查，告诉他我真希望是自己为他做的植入手术，植入的金属和塑料部件在过去的几年间已经慢慢松动了。在植入手术过程中，骨科假体部件必须放置得极其稳固，任何地方能够稍微晃动都意味着置换术最终注定失败，不过，即使不差分毫的完美植入也无法保证绝对成功。
斯坦利有一头沙金色的头发，脸上总是挂着笑容，露出一口稀松的牙齿。他常常咳嗽，一听那声音就知道他吸烟。此前，他已经看过几位外科医生，他们都认为X射线照片看上去没什么可担心的。我对斯坦利进行了全面体检，并仔细检查了新的X射线照片。我认为他的全肩关节置换物松动了，并且有可能发生了感染，这令他大吃一惊。61岁的斯坦利直言，他还得再工作几年才能退休，而置换手术的失败令他感到痛苦和焦虑。我建议手术移除松动的植入物，同时检查是否感染，并评估骨骼缺失程度。在这种病例中，不够稳固的关节盂组件（由聚乙烯制成的肩关节窝植入物，看起来像白蜡一样）会对肩胛骨的关节窝部分逐渐造成损伤。当钴铬合金肱骨头置换物在关节盂假体内旋转，聚合物组件的钉桩有可能开始松动，脱离宿主骨，就像不结实的木桩摇摇晃晃，无法再支撑花园的大门。长时间忽视这种情况的话，肩胛骨的骨骼就会在不知不觉间消失，只剩下蛋壳状的骨头包围着木薯般的纤维组织和脱节的聚合材料植入物。
一个月前，我第一次为斯坦利做手术时，眼前的情景令我为他感到担心：骨骼大面积缺失，植入物在松散的骨头中浮动。打开肩膀最深处，我发现一团金属、塑料、苹果汁般的滑膜液和纤维组织的混合物。所有植入的异物都需要移除，还需要取得组织和体液的培养物，以确定没有隐性感染。然后，我放置了一个由丙烯酸水泥做的骨水泥占位器，它是一种液态单体与聚合物粉末混合的产物，类似我小时候做作业用的树脂，看上去则像蓝色橡皮泥。这种模仿正常肱骨形状和功能的占位器还含有粉末状的抗生素，可以在我们等待培养结果时对抗深度感染。放置好骨水泥占位器，我们要去做一件神奇的事：拍一张计算机断层扫描片，通过一系列精密的三维X射线检查，帮助我制订全肩关节置换修复手术的术前计划。
术后一周，我们拍了一张肩部的高分辨率计算机断层扫描片。计算机可以通过视觉成像软件收录所有的X射线检查信息，构建虚拟的三维影像。在过去的十年中，神通广大的成像软件使外科医生和放射科医生可以“减去”所有的周围组织如肌肉、韧带和肌腱，在计算机屏幕上“构建”骨结构。医生可以通过键盘操作来旋转图像，以了解骨骼外观。想象一下，修车师傅不用抬起引擎盖，而是使用一种能够透过金属看到内部的奇妙工具，魔法般地洞悉发动机的问题所在。在过去的几年中，科技的发展使我们不仅能够看到骨骼的三维图像，还可以设计手术方案，以虚拟方式植入部件，并对放置的位置进行评估。更加令人难以置信的是，我现在可以与工程师合作，为一个肩关节的特定缺陷定制肩关节置换物。
我与魁北克植入产品设计师的电话会议即将开始。通过植入物公司捷迈邦美（Zimmer Biomet）电子邮件中的链接，我与蒙特利尔的一位工程师通过网迅（Webex）进行视频会议。只要敲打几下键盘，我就可以设置程度的隐私程度，使斯坦利的个人信息完全保密。工程师西蒙妮通过电脑上的链接与我通话，并控制屏幕上的图像。浅灰色的背景上呈现出斯坦利肩胛骨的三维图像。西蒙妮通过鼠标控制成像软件，而我可以要求她显示肩胛骨的不同角度和方向。我们在影像与想象中共事。蒙特利尔和丹佛突然显得并不遥远。
西蒙妮通过计算机操纵着肩胛骨，仿佛《实习医生格蕾》的画面走入真实生活，在我的面前翩翩起舞。完整而结实的关节盂可以支撑常规的植入物，而出现在我眼前的是一个布满凹痕的肩关节窝，中间有一个又大又深的坑，根本无法支撑我需要植入的金属底座。此刻，西蒙妮展现出卓越非凡的现代意识：我们要一起构建一个植入物，这将是一个计算机辅助制造的金属产品，能够完美契合斯坦利的肩部。他的肩膀损伤严重，在5年前我还不会考虑治疗这样的病例。如今，我可以与捷迈邦美合作，为患者定制一个独一无二的植入物，它能够与骨骼外壳紧密契合，上面的钻孔可以使螺丝钉完美地固定到剩余的骨骼上。这一突破性系统使我能够处理5年前还无能为力的肩部病例。不到一个小时，我们就完成了植入物的设计，签字完毕后，开始在印第安纳州的华沙进行制作。
距离我们完成植入物设计已经过去了几周，手术的日子到了。患者所需要的其他准备都已经按常规安排好，包括术前沟通、术前准备、手术体位、手术入路以及切口。不过，在我触及肩部最深处的时候，按部就班的常规工作便结束了。专门定制的植入物单独放置在一层一层的无菌包装中，等待着植入手术。它的替身是3D打印的白色聚合物，尺寸完全相同，还有一个斯坦利肩胛骨的3D打印版本。这些实物大小的轻型硬塑模型与几周前我在计算机屏幕上所看到的完全一致，它们可以帮助我完成定位，将真正的金属植入物放置到斯坦利支离破碎的肩关节窝中。
清理洞腔缺损处的纤维疤痕之后，我仔细观察着肩关节窝深处，那里已经不是能够支撑植入物的坚实堡垒，只剩下蛋壳般的骨骼。要是在以前，这样的发现会令我大为震惊，但这一次我们已经有了心理准备。我没有像以往那样惊恐不安，而是勇气十足，甚至跃跃欲试，因为我拥有转危为安的工具。我小心翼翼地将试用的聚合材料植入物放置在缺损部位，它完美地卡在它的位置上。我又花了一点儿时间检查契合的程度，确定没有问题之后，向洞腔深处插入了实际的植入物。形状奇特的高密度合金植入物在巨坑中安稳落座，仿佛宇宙飞船的发射架进入发射基地，科幻小说也不过如此。
我用多个螺丝钉将定制的植入物固定在肩胛骨上，轨迹和长度在几周前已经确定好。以前绝无可能的事情如今似乎变得稀松平常。我小心谨慎地将螺丝钉一个接一个地穿过金属植入物，钻入受损的骨骼，我已经感觉到每根螺丝钉的长度都与数周前我做“网络外科医生”时所预计的长度相同。植入所有的螺丝钉后，斯坦利的身体拥有了一件这样的植入物：它在蒙特利尔完成设计，在印第安纳州由一群熟练的技术员精准打磨，再连夜寄到我的合作公司业务代表乔迪那里，他今天运送给我。工程学、商务、生物学研究、计算机成像、卫星和光纤通信、高级制造业、空运、合作营销业务、熟练的外科手术以及出色的麻醉、护理和技术支持，这一切融为一体，为患者提供医疗服务，所以在今天看来，他的严重病痛已经不是什么大问题。尼尔医生会大为惊讶，也会感到相当自豪。
查理·尼尔的医学实践与20世纪50年代所有的骨科医生没有什么不同，那时专门研究特定关节的医生很少。除了由手外科之父斯特林·邦内尔（Sterling Bunnell）和威廉·利特勒（William Littler）等人在旧金山、芝加哥和纽约指导的手外科实践，骨科在世界上几乎没有进一步细分的专科诊所。尼尔医生继续担任着骨折医生，甚至在1971年发表了一篇膝关节外伤论文，那时他已经完成住院医师培训20多年了。但是，随着医学的加速发展，像查理·尼尔这样的外科医生开始关注特定关节。正如骨科与普通外科产生区别，成为一门专科一样，热衷于在更狭小的范围内仔细钻研的人们孕育了骨科的专科领域。
战争总是残忍而有效地推动着技术、运输、通信、设计和医学的发展。在20世纪40年代，随着冶金学和抗生素的进步，骨科专科即将迈入最重要的发展时期，不过关节炎的治疗还几乎没什么效果。在职业生涯的第一个十年中，查理·尼尔致力于骨折治疗，包括肩部骨折的手术治疗。
几百年来，医生和科学家们主要通过印刷期刊与同行交流他们的新发现。对于研究型大学的医生们而言，“要么发表，要么灭亡”的信条要求医生必须积极地开展研究工作，在期刊上为自己争得一席之地。查理·尼尔这样的年轻外科医生精力充沛、乐观向上、视角新颖，是暴露二战后骨科不足的完美人选。尼尔医生发表于1953年的经典文章《肱骨颈骨折合并肱骨头粉碎性骨折伴脱位》强调了与肩部严重骨折相关的非手术治疗和手术治疗的不良后果。在文章的最后一页，他附上了一张自己设计的肩关节植入物照片并总结道：“置换假体在逻辑上是可能的，在处理肱骨头重大损伤方面可能很有价值。”2世界初识未来。
1955年，尼尔医生就12例接受肱骨头关节置换的患者做了报告。3他使用自己设计的植入物治疗外伤，术后情况取得了显著改善。为外伤病人植入尼尔的假体是医学向前迈出的重要一步，但在这篇文章中，查理·尼尔还暗示了另一层意义。12名患者都发生了肩关节骨折-脱位，但有一人除外。1954年3月16日，第11号病人，一位70岁的家庭主妇，因患有“肥大性骨关节炎”而接受了手术治疗，这是世界上首例治疗关节炎的部分（“半”）肩关节置换术。患者在术后回到了中西部，后来她给尼尔医生写信说，自己“摆脱了疼痛，走向新生”。尼尔医生并没有将肩部植入物的使用局限于外伤治疗，也为肩关节炎患者带来了福音。
随着战后的繁荣带来前所未有的发展和兴盛，医生坚信能够以从未想象过的方式来挑战疾病。抗生素打开了通往腹腔并给腹腔器官做手术的大门。术中和术后的机械通风为外科医生给重症患者做手术提供了更好的环境支持。药理学的发现使医药发展突飞猛进，糖尿病、疟疾、痛风、类风湿性关节炎和心脏病等疾病得到了医治。最后，化学和高分子科学的进步，促使一些每年使用数百万次的材料出现，其中包括世界上最常见的塑料——聚乙烯。
自1953年取得突破以来，尼尔医生在十年里进行了46例部分肩关节置换手术。在46例半关节成形术中，7例患者得了骨关节炎而非骨折。在1963年发表于《北美外科临床》（Surgical Clinics of North America）的文章中，查理·尼尔总结道：“这一组的假体置换效果优于其他治疗方式。”在肩关节置换手术的头十年中，肩外科之父平均每年进行的关节炎置换手术还不到一例，但这一数字将会迅速上升。
尼尔医生的下一篇关于肩关节置换术的重要文章，是一篇20年来肩关节置换的报告——《盂肱骨关节炎的置换成形术》（“Replacement arthroplasty for glenohumeral osteoarthritis”），这位纽约外科医生就48例接受关节成形手术的关节炎患者做了报告。在第一个十年中，7例关节炎患者接受了手术治疗，而在第二个十年中，41名患者接受了手术治疗，增加了近5倍。在这篇发表于1974年的文章中，尼尔医生又一次让人窥见了未来。第一张数据表中藏着一例这样的患者：第18号病人，一名57岁的家庭主妇，接受了全肩关节成形术，在关节盂即肩关节窝一侧放置了一个聚乙烯植入物。尼尔医生解释说：“这例患者的治疗方式有所改进，我们插入了高密度聚乙烯关节盂，以丙烯酸水泥进行固定，使用了与之前略微不同的肱骨元件。”4
文章中有一张植入物的图示，但没有X射线照片。稍加改良之后，这种名为“尼尔二代”（Neer Ⅱ）的钴铬钼合金植入物的边缘呈弧线形设计，圆滑的肱骨头更接近球形，未来几十年中出现的所有肩关节植入物都从这里起步（见彩插17.1）。
自20世纪60年代以来，每一种新发明的骨关节置换术都具有以下三个主要特征：塑料聚乙烯衬垫、合金关节表面、用于固定金属部件的丙烯酸水泥。不论是肩、肘、腕、髋、膝还是踝，每一种关节成形术中的关节置换都由这三个部分组成。技术进一步发展后，无骨水泥组件出现了，植入物的质地可以促进新的骨骼生长，不再需要丙烯酸水泥。约翰·查恩雷爵士为我们描绘出了这种关节置换的蓝图。
坐落于英格兰西北部的兰开夏郡曾经是世界上重要的工商业中心和国际资本主义发源地。兰开夏郡的中心是利物浦和世界首座工业化城市曼彻斯特。曼彻斯特虽然曾经是古罗马的防御要塞，却因为运河和河道改善工程而闻名（竣工之后，周边村落的煤炭和经过加工的棉花从这里运往默西河、利物浦及全世界）。工业革命始于1780年左右，尽管英格兰从未种植过棉花，但到19世纪30年代，世界上几乎所有的棉花都在兰开夏郡加工。随着世界其他地区竞相效仿兰开夏郡的蒸汽机、运河、工厂和贸易中心，兰开夏人的国际影响力将会逐渐减少，然而我们可以说，在刚刚过去的一个世纪中，最重要的一位兰开夏人来自曼彻斯特的郊外小镇贝里（Bury）。
约翰·查恩雷出生于1911年，父亲是化学家，母亲是一名护士。他从小就表现出极强的机械天赋，喜欢做帆船、修机器。约翰的姐姐就读于剑桥大学，而约翰从贝里文法学校毕业后，凭借众多科学奖项和优异成绩直接进入曼彻斯特的医学院学习。似乎查恩雷命中注定会成为一名外科医生，在他还是医学生时，他就参加了英格兰皇家外科医师学会的考试，并轻松过关。
1935年，年仅24岁的查恩雷取得了医学学位和外科学位[1]，在伦敦开始了外科医生的职业生涯。后来他回到曼彻斯特，在德高望重的英国早期骨科先驱哈里·普拉特的指导下工作。1939年9月1日，战争的爆发打乱了查恩雷未来的职业计划。1940年5月1日，他应征进入皇家军医部队。与此同时，德军横扫西北欧，占领荷兰、比利时和法国，查恩雷被派往位于英吉利海峡敦刻尔克对岸的多佛尔。在那场37万大军撤离法国海岸的奇迹中，他出生入死，多次跨越海峡转移和救治伤员。后来他在埃及和巴勒斯坦的皇家军医部队工作，这些经历使他在治疗复杂的骨外伤方面获得了宝贵的经验。
战争结束后，查恩雷先生（英国的外科医生会使用“先生”这一头衔，并以此为荣）回到曼彻斯特，兼任皇家医院外科医生。查恩雷渴望从事更多的医疗工作，于是接受了曼彻斯特以北25英里处莱廷顿医院的一个职位。为什么这位年轻的外科医生会接受一个偏远乡村医院的职位呢？医院又为什么会建在那里呢？
在19世纪和20世纪，世界各地建立了许多结核病疗养院，这些设施按照弗洛伦斯·南丁格尔的建议，遵循着一定的典型模式建设：它们是为结核病患者专门在乡村建立的医院，那里的空气比较新鲜，医院通常为单层结构，设有开放式走廊和大型窗户，人们认为这样有助于患者对抗结核病。罗伯特·科赫于1882年分辨出了结核分枝杆菌之后，科学家们只能梦想着出现一种杀死细菌的神药。在取得这项突破之前，人们怀着矛盾的心情在乡村建好专门的医院来收治患者，而他们将在那里日复一日地咳嗽，慢慢地死去。1920年，兰开夏郡议会从一个出现财务困难的名门望族手中购买了莱廷顿大礼堂，并将其改建为一所能够容纳226名慢性结核病患者的单层结构疗养院。这家医疗机构独立运营了数十年，于1948年移交英国国家医疗服务体系管理，就在那个时候，查恩雷开始每月前往这一乡村基地。(https://www.daowen.com)
莱廷顿的大多数病人都患有骨骼和关节感染，从内部开始腐烂，只能姑息治疗。有意思的是，正当查恩雷开始在莱廷顿进行医疗咨询工作时，结核病的发病率开始下降。随着卫生标准的提高（包括牛奶的巴氏灭菌标准提高）和生活条件的改善，感染结核病的儿童越来越少；链霉素和对氨基水杨酸于20世纪40年代问世，则使治愈结核病成为可能。“英国各地的疗养院和骨科医院都面临着同样的尴尬局面，曾经为结核病患者准备的大量床位如今已经不再需要了，他们该如何运用这些床位？”5患者不会死于结核病，但这种疾病对身体的严重破坏还没有消失：感染的关节仍然会受到严重损伤。塞米斯托克利斯·格鲁克曾在1890年痛苦地认识到，根本无法置换体内受到感染的关节。但如今查恩雷可以考虑以手术方式对抗患病关节，不论患者得的是不是结核病，他还有希望缓解甚至治愈人类最大的负担之一——关节炎。
在曼彻斯特工作期间（他在那里兼职到1958年），查恩雷先生为一名接受过朱代（Judet）丙烯酸假体部分髋关节置换手术的病人做了评估（朱代丙烯酸假体是一个替代发炎股骨头的透明塑料球体）。患者告诉这位聪颖的外科医生，自己身体前倾时，植入的人工髋关节会发出吱吱的响声。这种声音尖锐刺耳，连他的太太都无法容忍自己在身边。查恩雷并没有轻视这件事，也没有觉得可笑，而是反复思考为什么会出现这种噪声。他发现股骨骨折后所进行的股骨头置换就很少会出现这种声音。在股骨骨折的情况下，髋臼软骨仍然完好，而且从表面上看它仍然提供着光滑的关节表面；而这些声音只在关节炎病例中出现，关节炎患者的髋臼在髋关节两侧只剩下粗糙的骨头，当置换的塑料球体与患有关节炎的髋臼相互接触时，就会发出吱吱的响声。重要的是，查恩雷没有将注意力集中在植入物和配件上，而是去推敲有机部分，思考重要患病组织的生物力学——根据《牛津英语词典》，生物力学指“与生物体的运动或结构相关的机械定律”。他的导师哈里·普拉特爵士认为查恩雷是一名外科医生兼生物学家，而不是外科医生兼工程师。为了找到治疗髋关节炎的方案，他首先需要了解健康的关节软骨具有怎样的功能。这将成为每一种植入物的发明模式：提出治疗方案之前先理解功能。现在看来，格鲁克在抗生素、灭菌、现代生物力学、合金和聚合物出现之前的1890年植入象牙，似乎有些荒唐可笑了。
工业革命为我们带来了机械引擎及其曲轴、活塞、齿轮和车轴——这一切都需要润滑。新兴的石油工业发现的机油和蒸馏黏性流体，可以用来润滑机器组件衔接处的金属。如果人是一台机器，那么可以合理地推断，我们的组件具有相似的生物力学关系。这样想是合理的，但是错了。查恩雷开始与曼彻斯特大学学工程的朋友们探讨自己的理论，他们一致同意我们的关节与金属机械组件的润滑原理不同。金属机械组件属于液体动力润滑，即薄薄的一层液体分离连接表面以及快速运动的组件；而我们的关节则不一样，查恩雷和同事们认为，人体关节属于边界润滑，即润滑剂（滑膜液）对关节表面本身具有亲和力。为了验证这种假设，约翰·查恩雷和工程师们开始研发检测装置，以评估软骨的“润滑度”。
摩擦系数（用希腊字母“μ”表示）是表示两个表面之间摩擦力的数学比值。如果μ很高，则说明移动其中一个物体需要很大的力量。磨砂纸或橡胶轮胎的μ值高于1，而非常滑溜的东西，例如在冰面上滑行的溜冰鞋，摩擦系数只有0.03，很难想象有比这更加光滑的物体了。为了确定软骨的μ值，查恩雷及其工程师团队组装出一种能够将人体关节（膝关节，后来还有踝关节）的一部分固定的支撑平台装置。关节的上半部分置于平台上方，并以摇臂固定，这些科学先驱就可以像这样计算出健康软骨的光滑程度。结果他们惊奇地发现，摩擦系数为0.001，这是有史以来人类测试到的最光滑的固体表面，以数学方式来表达的话，它的光滑程度是金属对骨骼光滑程度的500倍，是冰上的溜冰鞋光滑程度的30倍。
查恩雷先生在非外科领域的科学出版物上发布了其生物研究成果。更重要的是，他知道取得良好临床效果的关键是设计出一款摩擦系数很低的植入物，而且他可以一边用测试装置确定μ值，一边修改植入物的形状和尺寸。于是他长期以来提到的“低摩擦人工关节成形术”的研发竞赛开始了。
外科医生对患有关节炎或发生骨折的股骨头进行置换手术已经十几年了，结果通常可以接受，但查恩雷在努力寻求更好的效果和更长的使用寿命。要实现真正的低摩擦人工关节成形术，关节窝需要一种“光滑物质”，他开始向英国新近训练出来现的聚合物科学家们咨询候选材料。最终得到的建议是使用聚四氟乙烯（PTFE），亦称特氟龙。“特氟龙”会使我们想到平底不粘锅，不过它最初是一种工业材料，用于制造阀座和无润滑轴承。查恩雷对特氟龙进行了评估，发现这种材料具有生物学惰性，植入人体后（他没有用动物试验）几乎不会在局部产生异物反应。特氟龙外观呈白色半透明蜡状，可以用刀切开。查恩雷从1956年开始使用特氟龙臼杯进行全髋关节成形术，将其敲进患者的髋臼中，那也是世界上最早的全髋关节成形术。手术结果令人惊叹。6患者的活动范围良好，并极大地缓解了疼痛。查恩雷开始在两个闻名世界的医学出版物《英国医学杂志》（British Medical Journal）和《柳叶刀》上报告自己取得的成果。
查恩雷让髋关节置换领域产生的一个重大变化，是他勇敢地改变了金属股骨头的大小。从史密斯-彼得森开始，到后来的罗伯特·朱代和让·朱代兄弟，以及奥斯汀·摩尔（Austin Moore），所有早期髋关节先驱都设计出了与患者本身股骨头相同大小的金属股骨头来进行部分关节置换。人工髋臼杯的出现使查恩雷做出了一个天才决定——缩小金属股骨头的尺寸。他又一次将关注点放在了“低摩擦人工关节成形术”上，认为更小的股骨头摩擦力也更小，所以股骨头的直径从摩尔的42毫米（约为乒乓球大小），变为28毫米，最终减到22.25毫米，大约相当于一颗弹球的大小。许多外科医生觉得约翰·查恩雷的设计十分可笑，但他有数学计算的支持。
最初，查恩雷为患者植入的是奥斯汀·摩尔的股骨柄和大股骨头，没有丙烯酸骨水泥。在使用摩尔假体和特氟龙臼杯几年之后，他开始寻找一种更为稳固的方法来植入股骨部件。对于骨质较弱的老年患者来说，摩尔假体的细长金属柄可能会在股骨髓腔中晃动，导致下沉和疼痛。查恩雷常常向曼彻斯特大学的科学家们咨询问题，特氟龙取得初步成功之后，他咨询了曼彻斯特大学牙科学院修复学系的一些化学家。牙医经常处理牙齿脱落后的齿槽缺损。在英国，随着国家医疗服务体系在1948年建立，数以百万计的患者在人生中第一次寻求医疗服务和牙科治疗。这种对医疗保健的需求促使科学家们纷纷开始寻找更好的假牙和牙齿植入材料，而正是曼彻斯特的一位有机化学家丹尼斯·史密斯向约翰·查恩雷推荐了“聚甲基丙烯酸甲酯”（PMMA）。
聚甲基丙烯酸甲酯，也就是丙烯酸骨水泥，是一种由液体单体与粉末状聚合物简单结合而成的自凝黏结剂。水一样的液体单体存储在小瓶中，其中带有化学抑制剂，而外观呈糖粉状的粉末装在小袋子里。手术时，助手将两种成分在搅拌碗中混合，类似于制作面团。混合物起初呈乳状，然后变成面团状，几分钟后看起来就像新的橡皮泥一样。聚合作用是较小的化学分子即“单体”竞相与较大的链状聚合物连接在一起，形成刚性物质的复杂晶格的过程。这一化学过程是一种“放热反应”，即分子连接时会放出热量，刚开始形成一种黏性浆体，然后变为柔韧的塑料，再逐渐硬化，形成具有弹性的团状物，最后成为一块固体聚合物。如今，我们每天都会见到聚甲基丙烯酸甲酯，在有机玻璃窗、展示柜、眼镜、标识牌、浴缸和天窗里都有。而查恩雷发觉聚甲基丙烯酸甲酯是固定髋关节柄的理想黏结剂。他没有进行动物试验，就在1958年首次将其应用于人体。他马上便相信了这种材料的能力。半个世纪后，全世界每家医院每天都在使用查恩雷的骨水泥，只是对其化学成分略加修改而已。
1958年后，查恩雷彻底离开了曼彻斯特，一开始在莱廷顿做兼职工作，最终把自己的全部时间都交给了这家曾经的乡村结核病医院。当地医院管委会为建立生物力学工作室和实验室提供了资金，查恩雷很快便雇用了一名实验室技术员哈里·克雷文，这位全才的多面手在查恩雷身边工作了许多年，他们共同经历了20世纪60年代的那些关键时刻。实验室于1961年建成运营。查恩雷拥有敬业的工作人员和专门建设的手术室，他相信自己会不断成功，并满怀信心地将其机构命名为“莱廷顿医院髋关节外科中心”。
就像所有科学和医学领域的开拓者一样，约翰·查恩雷也是一名精工巧匠。他擅长制作，修机器，建模型，也亲手设计和制作自己的植入物。他的家里设有一个工作室，里面有一台车床，可以将特氟龙块制成髋臼植入物。克雷文协助他完成这些工作，而解决髋关节炎问题的关键是制作小部件本身。
在髋关节外科中心和数百例髋关节置换手术所带来的兴奋之情中，查恩雷希望小型股骨头、特氟龙臼杯以及丙烯酸骨水泥固定可以成为髋关节炎的长期手术方案。他每年所做的髋关节置换手术数量，已经从1959年的100例增长到1962年的超过400例。作为一名科学家，查恩雷当然愿意对患者进行跟踪随访并确定长期效果。1962年末，查恩雷意识到大事不妙。尽管患者对手术效果十分满意，关节功能也能到了改善，但3年来的随访X光检查显示，特氟龙臼杯发生了严重变化。查恩雷后来解释道：
历经300例手术和三四年的时间，我才得出结论［特氟龙不合适］，这似乎有些奇怪，有许多的原因共同造成了这样的结果。第一，三年来的效果令人惊叹，患者们充满了感激之情，这让我们无法直面怀疑：在如此成功的情况下，X射线检查竟然会显示出失败的端倪。第二，从化学本质上讲，聚四氟乙烯［特氟龙］惰性极强，我们觉得即使出现磨损，碎屑也会无害。第三，尽管在一年后的X射线检查中，我们可以看到1毫米的磨损，但我认为这并不意外，可以解释为股骨头“嵌入”了一个刻意加工成内径大于股骨头的臼窝中。直到第一年的磨损程度在第二年翻倍，而到第三年又增加了一倍，问题的严重性才显现出来。7
一场改变世界的革命走到了尽头，查恩雷也不得不开始怀疑是否一切都搞错了。所有的X射线检查都显示特氟龙臼杯的“顶部”出现了相似的高度侵蚀，在几年的时间里，金属股骨头一点一点地磨入塑料臼杯，仿佛一把热切刀穿过黄油一般。查恩雷先生开始重新手术，他震惊地发现特氟龙臼杯的磨损并非最严重的问题；更糟糕的是，在特氟龙臼杯失败的患者髋关节周围存在“磨损碎屑”。他在髋关节囊内的特氟龙颗粒周围发现了纤维组织团。人体组织对这种曾经被认定为“惰性”的材料产生了不良反应，这足以表明特氟龙完全不适用于人体，尽管早期结果看似是成功的。为了进一步证实自己的想法，查恩雷将特氟龙研磨成粉末状样本，并用大号针头注射到自己的大腿中。经过9个月的观察和等待，他切出皮下的结节，仔细检查了被纤维组织团包围的特氟龙结块后，他知道自己再也不会使用特氟龙了。整块特氟龙在体内是惰性的，但特氟龙颗粒则不是。我们会对查恩雷将特氟龙颗粒注射入自己大腿的行为感到惊叹，但想想他的英国前辈、外科学之父约翰·亨特，他将梅毒脓液涂在自己划伤的阴茎上做实验，相比之下查恩雷似乎也不算太疯狂。
功亏一篑的约翰·查恩雷满心内疚、郁郁寡欢。几周来，他的生活淹没在绝望中，太太（他终于在46岁时结婚了）发现他半夜坐在床上，双手抱着头。她感到“一切都是灰色的，阴郁无望笼罩着四周”。8这种痛苦持续了好几个星期，终于，一次偶然的发现使他重回正轨。
1962年5月，一名德国塑料制品公司的销售员来到莱廷顿，希望可以与查恩雷或其助手哈里·克雷文面谈。他销售的产品是塑料齿轮部件，用于兰开夏郡的纺织业（20世纪60年代仍然是当地十分重要的产业）。他想查恩雷的实验室可能会需要这样的机械部件。与销售员见面后，克雷文一眼就发现零部件的原材料与特氟龙十分相似。于是他留下了一块4英寸的材料样品，一块高分子量聚乙烯（HMWP），打算拿给查恩雷看看。
克雷文将聚乙烯块拿给查恩雷，查恩雷把它放在手里，用大拇指用力揉捏。他发现指甲可以在表面造成划痕，认为这种“聚合物”会和特氟龙一样令人失望，便告诉克雷文别浪费时间了。然而，克雷文并没有听从查恩雷的劝阻，他保留了新型聚合物的样本，并打算用自己专门设计制作的测试装置对其进行分析。在同一台莱廷顿的机器上，这种新型材料的初步测试结果令人震惊，特氟龙根本无法与之相比。查恩雷去哥本哈根开会了，所以他还不知道机器运转起来了，不锈钢头正在高分子量聚乙烯块上不停地振荡着。
查恩雷去哥本哈根时，肯定还是闷闷不乐的，甚至没有注意到高分子量聚乙烯正在实验室进行测试。他曾因髋关节成形术而在业内闻名，但当那些可怕的结果在他面前展开，查恩雷开始怀疑自己是否愚笨至极。后来，他回忆道，度假回来后：
克雷文来到办公室，让我下楼去实验室……下楼后，我看到了高分子量聚乙烯。经过三周的昼夜运转，这种在当时的工程领域都很少有人听说过的新型材料，在同等条件下的磨损程度还不及特氟龙24小时内发生的磨损。
毫无疑问：我们成功了。
查恩雷从德国鲁尔公司（Ruhrchemie，后来被赫斯特公司收购）得到了更多的原材料。与之前用特氟龙做的实验一样，他将聚乙烯注射进自己的大腿。六个月后，大腿上没有结节形成。查恩雷写了一封信，很快便发表在1963年12月28日的英国《柳叶刀》杂志上，他报告了自己对特氟龙的担忧以及对高分子量聚乙烯研磨粉末的积极态度，同时也借此提醒外科医生注意特氟龙的问题，因为他听说一些医生正考虑在尚未成熟的膝关节置换手术中使用特氟龙。
发现高分子量聚乙烯仅仅几个月后，查恩雷于1962年11月开始使用聚乙烯臼杯进行全髋关节置换术。早期的这些聚乙烯全髋关节置换手术中许多是修复手术，取出失败的特氟龙臼杯，固定新的聚乙烯臼杯。起初，所有的臼杯都由查恩雷亲手制作，并用戊二醛整夜浸泡，进行化学灭菌。后来，他的制造商合作伙伴萨克雷（Thackray）负责制作臼杯，并用伽马射线对聚乙烯进行照射处理（也有人建议在环氧乙烷中浸泡，至今仍有争议）。他继续使用新型高分子量聚乙烯臼杯，进行了数百例植入手术，从未用过全身性抗生素，并且只使用了不锈钢关节柄，而非我们今天所使用的钴铬合金。查恩雷没有急着发表结果，他担心特氟龙的灾难会重演，不过，这并没有发生。
事实上，在接下来的20年中，约翰·查恩雷几乎没有做出任何改变，他在莱廷顿以及后来的米德赫斯特，日复一日地为成千上万的患者做着髋关节置换手术，直至去世的那一天——他在70岁时遭遇心脏病发作。时至今日，即使我们拥有更现代的制造工艺、更先进的冶金学和聚合物研究、更精密的手术技术以及更新颖的教育方式，也没有人能够超越查恩雷。这位来自英格兰乡村小镇的外科医生兼生物学家所采用的材料，将在我们的世界中每年被植入数百万次，他不仅改变了骨科领域，而且史无前例地改变了人们的思维模式——体内接受异物并没有那么非同寻常。
我自己也是数百万接受髋关节置换的患者之一，我对约翰·查恩雷爵士充满了感激之情，他极大地改善了我的生活，减轻了曾经的苦痛。
查理·尼尔于1973年首次使用聚乙烯肩关节窝部件，并在1974年的文章中对此做了报告。在1982年《骨与关节外科杂志》的一篇文章中，尼尔对自己9年来进行的273例全肩关节成形术做了报告。9尼尔尝试将聚乙烯应用于肩关节时，这种材料已经在髋关节领域使用了十年之久。没有用于肩关节的一部分原因是，小肩关节窝的空间并不宽裕，使固定变得更加困难。我们很难想象，仅在30年前查理·尼尔还是世界上为数不多的做肩关节置换手术的外科医生之一，尤其要考虑到美国现在每年进行肩关节置换手术的病例超过10万例，而这一数字与每年的500万例髋关节置换和100万例膝关节置换比起来，似乎相形见绌。
关节置换成形术是世界上最常见的植入手术。它不仅可以缓解疼痛，还极大地改善了人们在日常生活和工作中所需要的功能和能力。这是人类最伟大的发明创新之一，而正是实干的约翰·查恩雷在一家名不见经传的乡村医院中，以自己的双手发现了合适的金属、塑料和黏结剂组合。
【注释】
[1]MB和ChB分别是医学学位（Medicinae Baccalaureus）和外科学位（Baccalaureus Chirurgiae）的拉丁文缩写，相当于美国的医学博士学位（MD）。——作者注