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1700624619 结核病仍然是世界性的传染病难题。由结核分枝杆菌引起的结核病，在患者咳嗽、吐痰或者打喷嚏时，通过空气在人与人之间传播。与表现为皮肤红肿（经常伴有脓肿）的葡萄球菌感染不同，结核病不是经由皮肤而是从肺部进入人体的。目前，世界上1/3的人口患有潜伏性结核病，也就是说细菌在肺部组织建立了据点，但尚未引发病症，患者也不会传播疾病。由于结核病缓慢发作的特点，患者可能出现持续多年的轻度咳嗽、夜间盗汗以及进行性减重。如果细菌具有战略部署的能力，那么这就是它们攻占全人类的滩头登陆计划：刚得病时症状让人可以忍受，同时细菌以肺为目标，刺激肺部引起阵阵咳嗽，导致菌群在全球后工业化时代人满为患的新兴城市中以飞沫传播。接触感染了葡萄球菌的患者可能会让你也感染，但是保持1英尺的距离就很安全。结核病正好相反，接触结核病患者不会 让你染上这种病，但是与其共处一室或待在同一个工作场所却可能要了你的命。
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1700624621 结核分枝杆菌对人类的侵扰至少有一万年历史了，它至今仍然是一种重要的全球性病原体，每年超过100万的人死于这种细菌。结核病是世界上致死率最高的疾病，同时也是治愈率最高的、可防可控的疾病，[2] 世界卫生组织估计有超过20亿人感染了这种微生物。现在的大多数欧美人能够不受这种全球性流行病的影响，但是在过去没有人能躲过肺痨的折磨（结核病的肺部感染俗称肺痨）。就像蛀牙最后会发展为牙周脓肿一样，慢性肺结核会发展成脊椎、四肢甚至脑组织中的感染性结节。
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1700624623 结核分枝杆菌感染蔓延到骨骼时，身体会出现进行性畸形。经年累月，骨骼慢慢地扭曲变形，仿佛冒泡的焦油，弯曲的肢体和关节会出现疼痛和功能障碍而且病情日益加重。1720年，住在伦敦的本杰明·马尔腾（Benjamin Marten）推测，肺痨是由肺部感染引起的，而诱发疾病的罪魁祸首是一种极小的“微动物”，用当时的显微镜无法看到。罗伯特·科赫最终在1882年鉴别出导致结核病的细菌，这项发现也为他赢得了诺贝尔奖。令人惊讶的是，直到19世纪80年代，学者们才对病菌学说达成共识，在此之前，就连简单的卫生和清洁问题都得不到重视。当时没有能够控制结核病感染的药物（人们要到1943年才发现链霉素），外科医生只能对晚期结核病患者进行大胆甚至冒进的医疗干预。
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1700624625 塞米斯托克利斯·格鲁克（Themistocles Gluck，1853—1942年）于1882年开始从事医学工作，那时的欧洲医学界刚刚意识到病原体（包括细菌、寄生虫和病毒）、感染和疾病之间的关联。格鲁克在柏林受训，由传奇外科医生伯恩哈德·冯·朗根贝克和病理学先驱鲁道夫·菲尔绍进行医学指导和训练。就像在不知道DNA的情况下很难去思考遗传学那样，在不相信微生物的情况下也很难设想医疗实践。科赫给出细菌导致结核病的阐释后几个月里，初出茅庐的格鲁克医生开启了自己的职业生涯，这距离对结核病有效的药物疗法出现还有大半个世纪，而格鲁克感兴趣的是对骨结核患者的骨科治疗。格鲁克被任命为柏林腓特烈皇家儿童医院的外科主任，在他刚开始行医的时代，人们还没有发现X射线。他和同事们在摸索中前行，只能猜想切开皮肤、深层解剖时会看到什么。
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1700624627 格鲁克的早期动物实验主要研究器官的切除和移植。他通过动物实验，做出了一个远远领先于他所生活的时代的发现：他观察到失去一个肾脏会让另一个肾脏加倍运转，这说明人体具有适应器官丧失的能力。如果希腊神话中的巨神普罗米修斯在夜间能够重新长出白天被鹰啄食的肝脏，如果玛丽·雪莱1818年出版的惊人杰作中，维克多·弗兰肯斯坦能够凭空创造出一种生物，那么，当麻醉成为现实，德国外科医生能够做什么呢？作为一名经验丰富的军医，格鲁克和同事们见识过成功治疗战争外伤的案例，如果用丝线和肠线将创伤性皮肤撕裂的边缘缝合在一起就可以使其痊愈，那么深层结构如肌肉、肌腱、器官甚至骨骼，在连接或固定之后也能痊愈吗？格鲁克带着这些问题继续进行动物实验，他发现分离的组织可以结合在一起并愈合，他将这一过程称为“自体成形”[3] 。在塞尔维亚-保加利亚战争（1885年）期间，格鲁克曾经用两块钢板和螺丝钉治疗一名士兵的股骨骨折，他的医疗干预使这名士兵迅速恢复，而且很快就可以活动，格鲁克自己也感到惊讶不已。从逻辑上讲，下一步的理论性飞跃是在人体内引入其他材料来“替代”骨骼，将“自体成形”提升到一个前所未有的层次，也可能是引发灾难的层次。
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1700624629 有时候，科幻小说家仿佛可以未卜先知。儒勒·凡尔纳说：“只要有人能想象出来，就有人可以使其成为现实。”科学怪人弗兰肯斯坦博士或许为格鲁克医生的组织再生概念提供了灵感。19世纪80年代后期，格鲁克的动物研究重点是组织替代。为了使患病或受损的组织能够再生，他尝试研发一种“导轨”，这也使他转而接触铝、木材、玻璃、镀镍钢和象牙等材料。现在我们知道象牙的主要矿物质羟基磷灰石（hydroxyapatite）与牙齿的牙本质和骨骼中主要的非胶原基质相同。但是，在格鲁克所生活的时代，因为象牙看起来与人类骨骼相似，而且作为德国殖民地的象牙海岸有丰富的供给，象牙才成为他首要的调查研究对象。他选择了象牙作为骨替代材料，很快便于1890年开始将经过雕刻和加工的象牙碎片植入患病关节。他首先为一名17岁少女替换膝关节，三周后又进行了一例腕部关节替换手术。根据格鲁克的报告，他在那一年中进行了14例关节成形术，包括膝关节、髋关节、腕关节和肘关节，他的所有结核病患者均植入了人工关节（见彩插11.1）。[4]
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1700624631 起初，格鲁克的象牙关节成形术效果十分显著。病人的疼痛消失了，运动功能也得到了恢复。格鲁克信心倍增，渴望向柏林医学会报告自己在短期内所取得的成果，然而，问题接踵而至。德国外科医生认为他使用丝线缝合来修复肌腱损伤已经令人震惊了，而现在这个疯子又提出要展示自己的一系列关节置换手术。虽然他的患者曾长期忍受结核性关节感染的折磨，但通常不会出现化脓，而手术后的所有患者都注定会遭受另一种感染，关节流脓红肿，有可能导致全身性菌血症（血液中出现细菌）、败血病甚至死亡。德国外科协会主席对格鲁克在柏林医学会展示发现的渴望做出回应：“作为德国外科学的领导者，我无法允许您在国际外科专家的平台前玷污德国科学的声誉。我和我的学生们将竭尽全力与您抗争。”格鲁克被迫放弃的不仅是展示报告，还有关节成形术的全部研究。以怀疑的态度看待前卫思想，这便是医学会的职能；只有在日后回过头去审视历史，我们才能对革命性疗法做出谨慎的分析。格鲁克以手工象牙植入物替代关节的创新确实过于 超前了——比抗生素、现代冶金术以及植入物的灭菌处理出现得还要早。虽然塞米斯托克利斯·格鲁克再也没有尝试过关节置换，但他在普通外科的其他方面取得了进步，享有长久的职业生涯。他现在被当作“埋没了的天才”和“第一位进行关节置换的外科医生”，这对他来说是公平的。格鲁克曾在晚年说道：“在医学及其他科学领域中，我们会发现，尽管某些事实早已尽人皆知，但人们要很久之后才能发现其真正价值。”[5]
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1700624633 没有人知道格鲁克是否在肩关节中放置过象牙植入物，不过毫无疑问的是，朱尔-埃米尔·佩昂（Jules-Emile Pean）于1893年3月11日在巴黎首次为人体植入了金属肩关节。佩昂是巴黎的一位知名外科医生，以敏捷的思维、启发式教学和过人的天分著称。法国人曾经在19世纪初将医学从一种卑微职业提升为受人尊敬的科学事业，但是后来的半个世纪中，他们将医学思想领头人的地位让给了德国人。正如《肩与肘外科学杂志》（Journal of Shoulder andElbow Surgery ）中记述的那样，佩昂为一名37岁的面包师植入了定制的铂金属肩关节，该患者的结核病感染十分严重，已经徘徊在死亡边缘。这一手术为肩外科领域做出了长远贡献：
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1700624635 巴黎牙医J.波特·迈克尔斯（J. Porter Michaels）加快了假体的设计和制作过程（佩昂早先已经切除了部分感染的肱骨）。关节柄由铂金属材质的圆柱体制成，上面有两个凸起和几个孔，用于固定骨膜和肌肉。远端设有螺孔，用于连接骨桩。上端由橡胶球制成，橡胶球事先在石蜡中煮沸24小时，已经硬化。球体表面互相垂直的两道大圆周上设有凹槽，每个凹槽包含一圈金属环，一个连接在关节盂上，另一个固定在关节柄近端。他们相信这一假体可以为患者提供足够的力量，并使其活动自如。[6]
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1700624637 这场起初看上去大获全胜的手术，在一年之后出现了问题。第一个迹象是患者肘部出现了红肿和排脓，必须通过手术来缓解症状。进行了三次清创之后，感染似乎得到了控制。根据这样的病例表现，现代外科医生会推断这位巴黎面包师与格鲁克患者的经历不同，并没有出现术后经由皮肤传播的感染（如葡萄球菌感染），即首次手术后几天内并没有出现关节化脓。他的情况是植入的人工关节周围结核菌感染复发。由于没有抗生素可以控制局部复发，植入手术注定会以失败告终。
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1700624639 术后两年，患者手臂周围出现了脓性窦道。再多的抗生素也不能够逆转人工关节的慢性化脓性感染，即使在今天也是如此，只有移除植入物才能缓解病痛。在移除铂金和橡胶材质的人工关节之前，佩昂医生还做了一件非常重要的事：他拍了一张X射线照片 。1895年，伦琴在德国维尔茨堡工作时发现了电磁射线具有发光的能力。在世界上首例关节置换的X光片中，佩昂拍到的影像显示“假体周围有一个长而坚硬的骨质外壳”。[7] 120年前在巴黎被移除的这个人工关节并没有被丢进垃圾堆，而是被当成今天世界上数百万种人体植入物的鼻祖，在华盛顿的史密森学会博物馆等待人们的参观。
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1700624641 外科医生们就像看到了“不要践踏我”[8] 的旗帜一样，一考虑到植入手术，他们就会为人工关节可能在任何部位造成慢性感染而担惊受怕。佩昂移除了铂金和橡胶材质的人工关节之后的几十年里，唯一使用过的植入物就是偶尔在骨折患者身上嵌入的金属板和螺丝钉，尽管科学家们尚未确定哪种合金最适合人类。在20世纪初期，外科医生们意识到关节炎对人体的损害，尤其是对髋部和膝部的伤害。随着生活条件的改善和人们对新鲜空气的重视，结核病发病率呈下降趋势，而X射线检查使医生可以亲眼看到关节，这在以前是办不到的。
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1700624643 人体的关节具有几点共同特征：它们至少有两块连接骨，都有一个关节囊，如同一张包裹着润滑液的薄膜，都有将关节固定在一起的稳固性韧带，还有最为神奇的关节软骨。软骨像一块软垫，为运动提供了一个平滑的表面，假如软骨健康，人们运动起来就不会感到疼痛。关节软骨是世界上最滑溜的材料，不过，随着年龄的增长，它开始失去这种惊人的性能。如果医生告诉某个人说他患有关节炎，那意味着他的软骨出现了毛病，有些属于“磨损”性退化，有些是因为自体免疫过程，即免疫系统攻击并破坏了关节软骨，如类风湿性关节炎就是这样得上的。不论哪种情况，一旦软骨遭到磨损或破坏，关节炎就会导致疼痛、僵硬、进行性运动功能丧失，骨骼末端形成骨性突出物，松散的软骨体在关节中浮动，还会经常发生关节变形。1895年以前，医生只能通过直接观察来检查病人，但X射线检查将关节炎呈现在医学工作者的面前，这使他们不仅思考如何治疗结核病感染，而且也开始考虑如何通过手术来治疗关节炎。
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1700624645 马里乌斯·史密斯-彼得森（1886—1953年）将自己的整个职业生涯都奉献在了波士顿麻省总医院的手术台上，直至67岁去世。史密斯-彼得森医生是挪威人，在威斯康星州读完高中和大学之后，进入哈佛大学完成了医学院的学习和骨科住院医师培训。他以一心一意的工作态度、强大的个人魅力以及手术方面的过人天分而在业内闻名，[9] 他对医学的最大贡献在于对髋关节的研究。他还是一名骨科住院医师时，就研究出一种新颖的髋部手术方法，这种方法在世界范围内使用了几十年。史密斯-彼得森医生对自己当住院医师时所学到的股骨颈髋部骨折基本治疗方法的不良预后感到不满，于是他发明出髋部三刃钉，极大地改善了数百万患者的生活质量，该技术在稍加改进后沿用至今。查尔斯·尼尔医生的首篇论文中评估的就是这个装置。
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1700624647 史密斯-彼得森医生最重要的成就是找到了一种后来被淘汰的植入物，向关节炎这一人类劲敌宣战。
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1700624649 一旦医生能够在X射线照片上看到髋关节炎，问题就变成哪种情况造成了更严重的后果。是从股骨头和髋臼处像珊瑚般伸出来的骨刺，还是关节软骨表层缺失导致的骨与骨之间的直接接触与摩擦？外科医生推断，周围的骨刺可能是罪魁祸首。这并不奇怪，因为当时生物力学研究尚未开展。生物力学这个至关重要的领域将告诉我们，健康的软骨光滑得惊人。医生对髋关节周围的骨质突出物发起了进攻，希望可以改善髋关节性能，就好像人们打开汽车引擎盖后，用橡胶清洗剂清洁皮带和管子，期望发动机能够更好地运转。20世纪20年代，外科医生开始围绕髋部做大切口，深入探查髋臼周围的肌肉组织，用锤子、凿子和大号尖嘴钳挖除埋住发炎髋关节的外壳。尽管这种治疗改善了部分患者的髋部运动范围，在一定程度上缓解了疼痛，但是它无法说服像史密斯-彼得森这样的医生。一小组外科医生调整了手术流程，在手术过程中，为股骨头添加一个临时的生物性覆盖层。外科医生从大腿侧面采集一块阔筋膜，把它当成一个临时的光滑表面，固定在失去关节软骨的地方，他们徒劳地希望人体可以接受这一肌腱组织，并再造一个新的光滑关节面。但那些留心观察手术结果的医生很快就意识到，软骨远比他们之前想象的特别。
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1700624651 尽管史密斯-彼得森没准备完全放弃20世纪20年代新兴的关节成形术，即围绕发炎的关节塑骨，但是一次偶然的观察让他产生了人体能够形成新组织的想法。1923年，这位哈佛的外科医生接诊时遇到一位年轻患者，主诉是背部大面积疼痛。史密斯-彼得森将患者带到手术室，在他的疤痕组织中发现了一块玻璃。后来，他回忆道：“……取出了一块玻璃，这块玻璃在组织里已经有一年之久，周围的疤痕组织极少，垫着一个闪闪发亮的滑囊，其中含有几滴清澈的黄色液体。这种对惰性异物的良性反应引发了我的思考：关节成形术中或许可以用到这样一种修复手段。这一初步想法日益发展成熟，并形成了‘铸模’的构想。在股骨头和髋臼新形成的表面之间插入一个由惰性材料制成的铸模，这样可以引导自然修复，以消除种种缺陷。修复完成后，再将铸模移除，留下顺滑协调的表面以符合身体的运动功能。”[10] 也就是说，史密斯-彼得森设想出一种手术：将玻璃柱体的球面一端放置在新形成的股骨头上，人体对此做出反应，会长出新的纤维组织，理想状态下它会像股骨头的透明软骨一样，这样就能提供新的顺滑表面。玻璃铸模起到培养组织的作用。患者在术后15~25个月后，会回来再进行第二次手术，这一次只是将铸模移除。
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1700624653 十年间，科学家们尝试用玻璃、黏性胶体（一种赛璐珞）、贝克莱特酚醛树脂（Bakelite）和派来克斯（Pyrex）玻璃制成臼杯，进行反复测试。从1923年开始，各种材料的测试取得了不同程度的成功。有时也会发生玻璃破损、人体对黏性胶体有异常反应和感染的情况。相对来说，派来克斯玻璃要稳定得多而且不易破损，病人的股骨头上也确实长出了软骨般的结构。在第一个臼杯或者说铸模关节成形术出现的15年之后，玻璃和聚合物的坚固耐用程度已经明显不适合这项手术的发展了（见彩插11.3左图和右图）。
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1700624655 史密斯-彼得森意识到铸模关节成形术的这些初步尝试无法担此重任，他与自己的波士顿牙医约翰·库克讨论了失败的情况，库克建议他采用钴铬钼合金（Vitallium），这是一种颇受牙医青睐的新型合金。莱纳·埃德勒和查尔斯·普兰奇两位医生创建了奥氏实验室（Austenal Laboratories），专门运用新兴的合金材料铸造牙模。从青铜时代开始，人类就尝试将各种基本金属元素（例如铜、锡、铁和锌）组合在一起，随着铬、钴、钼等稀有元素的发现，“不锈”钢材成为可能。
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1700624657 我们常常见到工厂钢架或桥梁生锈，这是由于水的存在，周围空气中的氧气与钢材中的铁相结合，发生了氧化，经过一系列的氧化还原反应形成氧化铁。令人惊讶的是，同样的反应过程可以在人体中 发生，人体中显然含有氧气和水，所以普通的钢植入物进入人体将带来灾难性的失败。分辨哪种金属可以在人体内应用在20世纪属于冶金学家的工作，他们对各种元素进行反复试验，并根据性能、硬度以及成本方面的表现，确定适用的合金。但是，一位来自圣安东尼奥的外科医生，为史密斯-彼得森、尼尔以及后来的每一位追随他们的外科医生解开了合金的秘密。
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1700624659 放射影像的出现使骨折的护理得到了极大的改善，外科医生可以真正地看到每一块骨骼的骨折情况，然后将其分类。最终创伤医生知道哪些骨折打上熟石膏就能痊愈，哪些需要手术干预。最初的螺丝钉和金属板（带有螺孔的长而薄的金属片）由纯金属如铝、银、金和锡制成，但事实证明，这些材质还是太软，不足以支撑愈合后的骨骼。铁要坚固得多，但是会与周围组织发生化学反应，所以并不可行。合乎逻辑的下一步是尝试铬电镀钢板，即镀锌的钢材，以期最大限度地减少腐蚀。但不幸的是，在螺纹与金属板啮合的地方，镀铬被磨损掉了，暴露在外的钢板就会受到腐蚀。
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1700624661 因此，唯一能被人体接受的骨科植入物必须是一种彻头彻尾的合金，但是人们还从未进行过这方面的生物学测试。在圣安东尼奥，弗吉尼亚州长大的查尔斯·维纳布尔（Charles Venable）医生与两位骨科搭档花了数年时间，专门在狗的前肢骨骼上测试螺丝钉，对骨骼及周围组织进行X射线检查和显微镜分析。他们对24条狗进行了实验，在狗的前肢骨骼上近距离打上一系列的金属螺丝钉。他们知道每种金属都有自己的“电动势”（EMF），即描述一种金属与其他金属电势关系的数学表达。电动势差异较大的金属制成的螺丝钉近距离放在一起，可以生成一种电势，继而在两个螺丝钉之间产生电蚀作用。在所有被测试的金属和合金中，骨骼及其周边组织对一种合金的耐受性最好，那就是钴铬钼合金。[11] 不同于其他不锈钢合金，钴铬钼合金不含铁，只有钴（65%）、铬（30%）、钼（5%）以及微量的锰和硅。这种合金所表现出的电解反应最弱，愈合结果最佳。
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1700624663 在文章的结尾部分，维纳布尔与他的共同作者陈述道：“……我们建议骨科使用一种类似于钴铬钼合金的材料……”（如果其中的铬最终没有对人体产生毒性的话）。这次可以说是大局已定。几年来，奥氏实验室一直提倡牙医使用钴铬钼合金，但维纳布尔的文章第一次在外科期刊中提到这种合金。在维纳布尔医生亲自向他担保这种合金“完全合适”之后，史密斯-彼得森医生立即着手制作钴铬钼合金模具，并经过反复试验，在1938年6月植入了第一个模具（见彩插11.3右图）。仅10个月后，他发表了自己最重要的一篇文章。[12] 他已经知道铸模关节成形术的原理是一项重大创新，但突破点在于钴铬钼合金这种材料。既然现在已经找到了一种具有优良弹性又经久耐用的植入物，那么他就可以在文章中探讨一种值得关注的可能性了。“现在的问题是，我是否应该抛弃原本的铸模原理。如果钴铬钼合金是一种惰性材料，即使将它插入两个移动的表面之间，也不发生反应，那么或许就不需要第二阶段移除铸模的手术。”[13] 史密斯-彼得森猜测，新的“再造表面”手术也许足以解决问题，不过只有时间能够证明其结论。正如科幻小说家儒勒·凡尔纳所说：“科学是由错误组成的，但这些错误是有用的，因为它们会指引我们一步一步地走向真理。”
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1700624665 现在回想起来，从覆盖股骨头的活动性臼杯，到金属材质的替代性股骨头，这种理念的飞跃似乎是顺理成章的。当时的外科医生经常处理股骨头粉碎性骨折，习惯了以麻木的情感告知患者，他们要接受在柳条轮椅上度过余生的宿命。在第二次世界大战前后，有进取精神的骨科执业医生认为可以用金属股骨头完全替代坏死和塌陷的股骨近端，第一位将这个想法付诸实践的医生是巴尔的摩约翰斯·霍普金斯医院的哈罗德·博尔曼（Harold Bohlman）。他饶有兴味地阅读了维纳布尔和史密斯-彼得森的文章，在钴铬钼合金铸模关节成形术的论文发表仅仅几个月后，他在一根金属柄上安装了一个钴铬钼合金材质的球体，仿佛制作了一个夹心棒棒糖。
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1700624667 此后的一年里，世界各地的外科医生都竞相设计与博尔曼所制作的股骨头替代物相似的假体，通常都使用金属材质，但偶尔也使用丙烯酸等新型聚合物。然而，外科医生们逐渐看到安装的金属球体松动下沉，彻底失败，最初的热忱不出几年就消失了。曾经的残疾患者本来通过植入钴铬钼合金股骨头暂时缓解了髋部疼痛并解决了残疾问题，可是现在他们再次变成了残疾人。第二次世界大战接近尾声时，改良合金材料面世仅有几年时间，另一项使外科医生们备受鼓舞的惊人变化发生了，即青霉素的发现及其生产方式的改进。虽然手术器械和植入物的蒸汽灭菌（发明于19世纪80年代）已经降低了感染的风险，但是抗生素的出现改变了医学世界的每一个角落，也再次激励了人们为解决髋关节病变深入地探寻答案。外科先驱们开始思考，如果铸模和小巧的人工股骨头感染已经不再是问题，那么从长期效果来说，大型假体是不是更好的选择。
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