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我国第一个泌尿外科、第一例肾移植手术，这些泌尿外科史上的“第一”，都来自于吴阶平的高超医术。
1947年，吴阶平经著名泌尿科专家谢元甫教授推荐，赴美国芝加哥大学进修，现代肿瘤内分泌奠基人哈金斯教授非常喜欢这个年轻、勤奋的中国学生，经常亲自指导他做实验，做手术。看着吴阶平熟练而灵巧地手术过程，他赞扬说：“我感觉你像用三只手在协调地配合呢。”由此，吴阶平在美国有了“三只手”的美誉。
1948年底，进修即将结束，哈金斯非常希望吴阶平能留下担任他的助手。他在吴阶平面前铺开芝加哥大学医院的科研大楼蓝图：“这是我们为你建的设施齐备的实验室，这是你的办公室。我们可以把你的家眷都接来，安排最舒适的生活，希望你留在美国。”吴阶平谢绝了，他说：“我要回到中国，发展祖国的泌尿外科。”
1949年，吴阶平在北京医学院第一附属医院，用3张病床专门收治泌尿外科患者，新中国的泌尿外科由此拉开序幕。
上世纪五十年代起，吴阶平进入了泌尿外科事业的高峰期，他在肾结核对侧肾积水、男性绝育和肾上腺髓质增生三方面的成就，奠定了他在中国泌尿外科界的地位。
1953年，吴阶平发表了关于肾结核对侧肾积水的新概念，以前的双肾结核一直被判为不治之症，他的这一创见使很多双肾结核患者得到了正确救治。这是泌尿外科学的一项突破性进展，在国内外受到高度重视，被广泛采用。
1960年，他在长期的临床实践中，提出了“肾上腺髓质增生”概念。这项成就被卫生部授予科技成果甲等奖，国际医学界正式承认这项创见。
吴阶平年轻时，因患上肾结核而被摘除右肾。康复后，他一直关注一个问题，如果一侧肾被切除后，另一侧肾的生长受哪些因素的影响。通过长期临床观察，吴阶平得出，一部分人当一侧肾发生病变被切除后，若另一侧肾健康正常，其劳动能力和寿命都不受影响，但有少数病人例外，究其原因，在于留下来的另一侧肾是否有充分的代偿生长。
经过多次的大白鼠试验证明，年轻动物手术后情况明显优于年老的动物，是因为年轻动物的促肾生长因子强于年老动物的促肾生长因子。但若用年轻动物术后的血清与年老动物的肾细胞放在一起培养，则能获得代偿性生长较好的效果。他还发现，代偿性生长是手术后两周内产生的，所以若能在手术两周后再进行抗癌药物的应用，有利于病人术后的康复。
1960年3月，他完成了我国第一例肾移植手术，为一个患晚期肾炎的患者从其孪生兄弟身上移植了一个肾脏，移植的肾脏得以长期存活。1964年，他在友谊医院建立泌尿外科，并建立肾移植基地。