感染细菌在假体界面的整合过程和生物膜形成

所有的手术操作都会发生细菌污染。其他的手术开放操作持续同样的时间也会发生同样数量的污染，但行关节置换的患者存在生物材料部位发生深部感染的危险性会增加。生物材料增加细菌定植的敏感性是多因素的。置入以后，宿主与生物材料相互作用在其表面形成一层膜（所谓的生物膜）并对异物材料产生免疫反应。一种持续存在并扩大的免疫缺陷纤维炎症带在假体周围产生并不断造成组织损害，对感染的敏感性增加。如果微生物到达生物材料的表面，有很多会在其表面发生黏附。细菌的黏附受各种细菌和生物材料物理化学表面特性的调节。这些表面的特性，如极性和粗糙度，导致不同的细菌附着机制。

金属假体和骨水泥（特别是PMMA）容易诱发感染，其原因是缺血的骨-骨水泥界面白细胞、抗体和补体无法达到，细菌可以持续存在，同时有局部的免疫抑制。机体防御系统将假体，骨水泥与骨界面视为真空地带，其间的生物材料以及可能存在的细菌可免受攻击。细菌与成纤维细胞的定居都通过糖被膜的介导。假体置入后，在假体的表面会形成一层糖蛋白，增强细菌在置入物表面的黏附。葡萄球菌由于具有这层蛋白的受体可能是主要的致病菌。一旦完成黏附，许多细菌会形成一层纤维性的（菌）表多糖，即形成复杂的生物膜。在生物膜内，细菌可以存活和繁殖，处于不同的生长阶段（浮游细菌和静止期细菌），形成有机的复杂的结构和功能异质（不均一性）的群落，类似于多细胞的有机体，能抵抗抗生素和白细胞。培养多种生物材料表面的不同细菌菌株显示浮游细菌要比在生物膜中同样的细菌（固着细菌）对抗生素敏感。固着细菌对抗生素有高度的抵抗性并通过多种途径获得这种耐药性。可能的机制包括：延缓抗生素在生物膜细胞外基质中的渗透，固着细菌的生长率减慢，和细菌与表面的相互作用导致生理改变等。

如果细菌成功定居在假体表面，常常需要经过很长时间才表现出假体周围感染。可能的解释为生物膜上粘连的细菌沿假体表面缓慢持续生长，并通过界面微动的播散。生物膜与界面使细菌避免受到宿主防御系统攻击。当细菌离开生物膜成为浮游细菌，引起局灶感染时才表现为假体周围感染。结果是低毒性细菌可以潜伏几个月甚至几年而没有症状。

临床医生处理假体周围感染要考虑生物膜的概念，这一概念提供预防，诊断，和治疗这一灾难性疾病的合理基础。在这一概念中，感染细菌作为浮游细胞在惰性材料和坏死组织表面形成的生物膜上迅速形成。慢性的发展过程，无效的免疫反应，触发的炎症反应，对抗生素内在的耐药性，致病菌培养困难都是生物膜感染的特点。在材料表面上生物膜形成的速度决定于细菌细胞的数量和种类、表面的清洁度和患者的免疫状态。然而一旦生物膜形成并成熟，医生将面对一个难缠的敌人。全身运用抗生素的剂量低可以在急性发作期缓解由生物膜释放的浮游细菌造成的症状，但对生物膜内固著细菌无用，并且由于刺激宿主的炎症反应造成持续组织损伤。

细菌在生物膜内存活，有高度的耐药性，并抵抗宿主的防御机制。生物膜内固著的细菌对于骨组织周围的炎症反应起的作用不大。这些反应主要由浮游细菌引起，这种浮游细菌在人体感染部位较易辨识。如果在异物相关感染中使用抗生素，其作用几乎都是针对浮游细菌的。杀灭这些细菌意味着控制症状而非控制感染这一疾病，这很容易导致一种情况医师开处方使用抗生素，而患者只要在使用抗生素则就能控制症状。一旦停用抗生素后，由于异物表面定植生物膜内的病原菌被释放出来，导致感染复发。更棘手的问题是在生物膜内的病原菌能够通过选择有耐药性的亚群和细菌基因组突变获得耐药性。除一些罕见的情况外，手术去除异物材料对处理假体周围感染是必需的。抗生素治疗是外科治疗的支持和这些措施能成功的保证。