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1700625683 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。
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1700625685 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）。
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1700625687 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。
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1700625689 1935年，年仅24岁的查恩雷取得了医学学位和外科学位[5] ，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。
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1700625691 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？
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1700625693 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。
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1700625695 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？”[6] 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。
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1700625697 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。
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1700625699 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”。
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1700625701 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。
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1700625703 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。
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1700625705 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。[7] 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。
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1700625707 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。
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1700625709 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）。
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1700625711 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。
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1700625713 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”。
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1700625715 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。
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1700625717 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：
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1700625719 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。[8]
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1700625721 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。
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1700625723 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”。[9] 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。
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1700625725 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。
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1700625727 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。
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1700625729 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：
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1700625731 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。
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