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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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毫无疑问：我们成功了 。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。[10] 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。
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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。
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[1] H. P. Platt, Sir John Charnley in Some Manchester Doctors W. J. Elwood, A. F. Tuxford, eds. (Manchester, UK: Manchester University Press, 1985).
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