假體周圍感染是人工關節置換術後的一種嚴重併發症，即使最終得到有效處理，其治療期限也通常較長，同時患者也會經歷長時期的關節功能喪失並且難以繼續參與日常工作，使得總體治療結果較差。
造成療效較差的主要原因在於往往難以對假體周圍感染早期作出準確的診斷，並由此給予正確的處理。對假體周圍感染基本病理變化的理解有助於指導對其作出正確的診斷和處理。
目前針對包括假體周圍感染在內各種感染的診斷標準主要還是基於1884年由Koch提出的推斷及其各種改良。這些標準均包括首先從組織和體液中分離出病原菌，然後鑑定其種類並進行藥敏試驗以選擇恰當的抗生素進行治療。
這樣一種簡單的措施已被證明對大多數感染病例有效。然而，由於多數細菌在包括瓊脂在內的實驗室常用細菌培養基上並不會自然生長為簡單的菌落，而是形成為細菌膜。
研究已提出並深入研究了微生物生長的生物膜理論，並已經形成了堅實的科學基礎。目前在海洋汙染、水處理、以及食品工業等領域已經廣泛接受了生物膜理論。美國學者ArnoldWV等在一份AAOS教程中複習了假體周圍感染中的生物膜相關知識。
生物膜理論認為，細菌按兩種不同的方式存活及生長。
其一，這些單細胞細菌能夠在一種與細胞外基質結構和功能類似的複雜生物膜基質上存活並生長，細胞外基質是高等級多細胞生物的重要標誌。細菌生物膜由細菌本身產生，它既為細菌提供保護，也為其提供生存的組織構架，該組織構架有利於細菌的代謝活動以及不同細菌之間的訊號傳遞。
其二，細菌也可以以浮游形式存在，這是一種常見的傳統單細胞生物生存形式。浮游狀態生存的細菌單體之間並無組織結構存在，也不會產生化學介質梯度和相應的微生態環境。
細菌的存在形式對於相應細菌所導致感染的治療極為重要。
浮游狀態有利於感染的擴散，但同時容易被機體免疫系統和抗菌素所攻擊。而以生物膜形式存在的細菌不容易形成感染擴散，但同時也受到保護而難以被免疫系統攻擊，對抗菌素的治療也不敏感。
圖1根據Boles和Horswill、Otto、Resch等的研究所作的示意圖以葡萄球菌為例表明生物膜的典型特點。其中藍框表示生物膜形成的主要步驟，黃框表示細菌所處的化學環境，紅框表示細菌的不同表型。浮游細胞通過附屬基因調節因子(agr)系統產生致病因子、降低其粘附性、並提高細菌分散度抑制生物膜聚集。EPS：細胞外聚合物。
值得注意的是，真菌，如念珠菌感染後，也可能以生物膜形式存在。
感染的生物學特點要發生感染，細菌首先應接種於條件適宜的部位。正常情況下，葡萄球菌是人體表面的一種共生菌，在接受手術的時候可能通過手術切口進入體內成為病原菌。此時的細菌通常被認為是以浮游形式存在的。
進入體內後，這些細菌必需粘附於假體周圍組織或假體表面。葡萄球菌粘連的分子生物學機理如下：該類細菌分泌出歸屬於MSCRAMM(microbialsurface components recognizing adhesive matrixmolecules，微生物表面成分識別膠粘劑基質分子)家族的粘附素，從而有利於這類細菌附著於各種細胞包基質蛋白。
金黃色葡萄球菌(S. aureus)具有超過20種以上粘附素的基因編碼。此外，與細胞外基質中的纖維連線蛋白相接合的粘附素可能有助於介導這些S.aureus進入人體細胞內部，在宿主細胞內這些細菌也可能進行復制。
當細菌粘附成功後即進入複製階段，而在此階段內細菌可能是最脆弱的。但對於免疫機能正常的宿主來說，是否發生感染依賴於宿主免疫系統對侵入體內細菌的清除能力。
單純依靠抗菌素本身是不能清除感染的，但它顯然能協助機體對抗定植的細菌。同樣，任何有助於細菌逃脫免疫系統攻擊，或對抗抗菌藥物或機體免疫系統攻擊的機制均有利於病原菌引發感染。
生物膜的形成正是病原菌抵抗機體清除能力的一種方式。S.aureus一旦粘附於假體表面既開始進入生長和定植階段，並釋放出對宿主有毒性作用的化膿性因子。此階段中細菌在環境因素的刺激下，以極為精準協調的步驟啟動或關閉特定的基因表達。
此外，研究者還發現在不同的細菌之間還存在一種被稱為群體感應(quorumsensing)的聯絡系統緊密聯絡進行資訊通訊，從而可能有助於菌落的總體生長並協調生物膜的形成。
細菌最終被由多糖、糖蛋白和細胞外DNA(eDNA)組成的細菌生物膜所包裹。生物膜記憶體在的細菌與浮游狀態細菌的生長方式從本質上是不相同的，可以認為兩者是同一細菌的不同表型。
在生物膜內的細菌可以耐受百倍於殺滅浮游細菌所需濃度的抗生素，而且也更能抵抗機體免疫系統的攻擊。但白細胞仍然具有侵入生物膜的能力。
生物膜同樣有利於營養物質的交換，而且細菌能從生物膜上脫落重新進入浮游狀態，或者以生物膜片段的形式源源不斷地到達身體其它部位，甚至引起急性系統性感染。
細菌在生物膜內可能以毒力較弱的相對靜止狀態存在，但生物膜仍然會激發一系列的炎性反應，持續地破壞周圍組織並最終導致包括疼痛在內的臨床症狀，而且在病程較長的慢性感染病例形成假體鬆動。
腹腔導管、血管導管、隱形眼鏡、骨科器械、人工關節假體等醫療性植入器材表面都已經檢測到生物膜的形成。此外，在許多非內植物相關的慢性感染性病變，如：前列腺炎、囊性纖維化、心內膜炎、中耳炎、以及骨髓炎等均發現生物膜的形成。
生物膜理論下假體周圍感染的診斷
慢性假體周圍感染的診斷通常相當困難，一般是通過包括紅細胞沉降率(ESR)、C反應蛋白(CRP)、關節液細胞計數、以及關節液白細胞比例等間接指標來進行判斷的。最新的一些研究則進一步檢測關節液中白細胞酯酶水平以協助診斷。
所有上述診斷手段從本質上講都是針對機體免疫系統對假體周圍感染的清除反應的檢測，而非鑑定致病菌的直接手段。
骨骼肌肉感染學會(Musculoskeletal Infection Society)和美國骨科醫師學會(AmericanAcademofOrthopaedic Surgeons，AAOS)均釋出了假體周圍感染的診斷方案和路徑。
無法從疑似慢性假體周圍感染病例的關節穿刺液中分離出致病菌的機會十分多見。如果將生物膜因素考慮進來，則診斷中的困難就不難理解了。
浮游狀態的細菌可以很容易地通過傳統的實驗室檢測技術成功分離和培養，但生物膜中存在的細菌則難以用同樣的辦法成功檢測出來。而慢性感染病例的細菌絕大多數是存在於生物膜中的。
一些診斷假體周圍感染的新方法採用了包括聚合酶鏈反應(PCR)在內的分子生物學技術。儘管PCR可以通過檢測到細菌特異性核糖體RNA證明細菌的存在，但卻需要以細菌特異性引物進行擴增以確定致病菌種類。
一種綜合了PCR和質譜的被稱為Ibis技術的檢測手段已經被用於鑑定致病菌，並顯示出了良好的應用前景。最近一項研究採用Ibis技術在培養陰性的假體周圍感染病例以及部分原本認為是假體無菌性鬆動而翻修的病例中成功地檢測到致病菌的存在。其中，在57例原本認為是假體無菌性鬆動的翻修病例中，有15例被Ibis技術檢測出了致病菌。
這樣的結果在一定程度上支援此前有研究者提出的猜測，即許多無菌性假體鬆動實際上存在低度慢性感染。這種新型分子生物學技術可能有助於假體周圍感染的診斷，以及在準備再次置入假體之前確認感染已被清除。
生物膜理論下假體周圍感染的處理
通常在確定處理方案之前，首先將假體周圍感染劃分為急性和慢性：初次手術後4周內發生的感染為急性感染，而術後4周以後發生的感染則為慢性感染。
術後早期感染通常伴有疼痛、傷口癒合不良、區域性紅腫、以及傷口長時間滲液等表現。這還包括原本功能良好的人工關節突然出現的急性感染，通常是在術後1年以後出現。一般認為這種急性感染是來自於身體其它部位感染病灶的血源性繼發感染，通常表現為關節腫脹疼痛。
慢性假體周圍感染通常表現不明顯，可能僅僅表現為慢性疼痛。
急性感染通常採用手術治療，包括清創沖洗保留假體、清創沖洗更換假體(一期翻修)、清創沖洗取除原假體後置入抗生素骨水泥spacer，並在感染控制後重新置入假體(二期翻修)。
慢性感染則既可以一期翻修，也可以二期翻修。簡單地進行清創沖洗並保留假體的方法處理慢性假體周圍感染的失敗率極高。
目前文獻中有關急性假體周圍感染病例經清創沖洗並保留假體處理的療效差異極大，這在一定程度上可以由生物膜的存在得到解釋。如果不能徹底清除感染部位的生物膜，那麼任何手術方式均會最終失敗。
在假體表面的生物膜形成之前及時手術，或者手術中充分清除生物膜，則簡單的清創沖洗並保留假體的治療方式就能獲得成功。對於慢性感染病例而言，可能需要術中更為徹底地清創以清除乾淨可能在假體周圍骨組織中形成的生物膜。
儘管二期翻修被認為效果更為可靠，但如果病灶中的生物膜沒有被徹底清除，則最終失敗的命運仍然不可避免。二期翻修和一期翻修的本質都是去除假體元件包括其表面所附著的所有生物膜，從而可以清除病灶周圍組織中的生物膜。
未來的研究方向
未來的研究目標包括闡明細菌感染和生物膜形成的基本過程。
顯然，預防感染形成的首要步驟在於防止細菌粘附。
從假體的角度來看，研發不會吸引細菌駐留的假體表面結構，以及對假體表面進行抗菌塗層處理等措施可以降低細菌生物膜形成。儘管有研究發現表面共價結合有萬古黴素的假體在有效抑制金黃色葡萄球菌生長的同時仍能促進骨癒合，但這樣做可能也容易導致細菌對相應抗生素產生耐藥性。
另一個方法是用能夠粘附於假體的生物表面活性劑處理假體表面。一些細菌，如乳酸桿菌即能合成具有雙重親和力的複合物，並可能用於處理矽基表面塗層。最近研究發現，歸屬於柑橘類衍生醇的金合歡醇能夠抑制鈦合金表面金黃色葡萄球菌生物膜的形成。其它一些材料可能並不適於進行假體表面塗層處理，但它們可以用於清除或破壞生物膜。
阻斷細菌之間的群體感應是另一種可能的治療手段。對群體感應現象的分子機理有了更深入的研究，使得破壞細菌之間的資訊交通更加切實可行。有研究者發現使用核糖核酸III抑制肽能有效防止由多種葡萄球菌屬細菌，包括耐甲氧西林菌株引起的移植物相關感染。相關研究的最終目標是找到能夠主動穿過多種而非特定細菌壁的類似抑制劑。
還有研究專注於研發針對諸如金黃色葡萄球菌在內的常見致病菌的疫苗。動物實驗已初步證實針對特定生物膜抗原的疫苗來治療金黃色葡萄球菌性慢性骨髓炎。
聯合應用疫苗和萬古黴素顯著降低了實驗動物的感染率，甚至能有效對抗耐甲氧西林金葡菌引起的感染。該模型同時也強調了區分細菌不同表型的重要性：萬古黴素用於清除浮游形式的細菌，而疫苗則用於清除生物膜形式的細菌。
如果能分離出特定細菌的抗原並進一步生產出相應的抗體，則可能找到一種診斷和治療生物膜感染的有效方式。
結論
目前在慢性假體周圍感染的診斷和治療中所面臨的很多難題都能以生物膜理論得到解釋。進一步的基礎研究有助於深入瞭解生物膜的生物學特點，從而有助於提高這些慢性感染的診斷和治療成功率。
找到一種不僅僅針對某一特定細菌或真菌菌株，而是多種病原菌的治療方案仍然是一個巨大的挑戰。
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