骨 · aiwiki.page

骨是一种特化的、矿化的生物学组织，构成脊椎动物骨骼系统的主要部分。“骨”也指单个骨骼器官，其中除骨组织外，还含有骨髓、血管、神经及相关组织。骨的细胞外基质由胶原蛋白与矿物晶体结合而成，既能提供结构强度，又保有生长、适应和修复的能力。(openstax.org)

骨支撑身体、保护内脏，并在运动中发挥杠杆作用。骨还为造血提供环境，并充当钙和磷酸盐的储库。骨并非静止不变：特化的细胞不断吸收旧骨组织并形成新骨组织，使骨骼的完整性在整个生命过程中与机体的稳态紧密相连。了解骨的组织结构、发育及调节机制，是解释骨折、骨质疏松症及其他骨骼疾病的基础。(ncbi.nlm.nih.gov)

作为组织与器官的骨

骨组织是一种特化的矿化结缔组织：活细胞存在于细胞外基质中，并维持这一由磷酸钙矿物增强的基质。“矿化”指无机晶体沉积于有机基质之中，而不是活组织被惰性物质取代。以Ⅰ型胶原为主的胶原纤维构成抗拉框架，矿物相则赋予组织硬度和抗压能力。成骨细胞生成新的基质，骨细胞包埋于基质内，破骨细胞则在骨表面吸收骨组织。这些活动使骨成为一种不断得到维护的生物材料，而非仅仅是僵硬的支架。(openstax.org)

一块骨，例如股骨，是一个器官，而不是单一的组织。器官是解剖上可明确区分的结构，由两种或更多种组织共同发挥作用。股骨包含密质骨和松质骨组织、骨髓、结缔组织性的包覆层与衬里、血管、神经，以及关节面上的软骨。其血管壁还含有内皮组织和平滑肌。因此，讨论“骨”时需要注意所指的层次：矿化描述的是骨基质，而血液循环、骨髓活动和关节面的组织结构则涉及整个器官的组成部分。密质骨和松质骨是骨组织的不同排列形式，并非各自独立的器官；骨髓位于骨内部的空间中，但本身并不是骨组织。(openstax.org)

软骨和骨都属于支持性结缔组织，其性质取决于各自的细胞外基质，但软骨并不只是未矿化的骨。软骨含有软骨细胞，其基质富含能结合水的糖胺聚糖；软骨通常没有血管，通过扩散获取营养。骨的细胞组织结构与之不同，其矿化框架内有血管通道。关节软骨可以终生与骨并存，例如髋关节和膝关节中股骨关节面上的软骨。仅凭矿化与否不能判定组织的种类：位于未钙化关节软骨下方的钙化软骨区，仍可与其下方的骨组织区分。尽管两个区域都含有矿物质，仍能在显微镜下辨认出它们的分界。(histology.leeds.ac.uk)

牙齿的硬组织体现了另一项重要区别。牙本质构成牙齿体积的大部分，由位于牙本质与牙髓交界处的成牙本质细胞生成。这些细胞的突起伸入牙本质小管中；与之不同，骨细胞的胞体则包埋于骨基质内。牙骨质覆盖牙根的牙本质，为牙周膜提供附着部位，而牙周膜将牙齿连接到牙槽骨。牙釉质覆盖牙冠，是由上皮来源的成釉细胞生成的高度矿化组织；胶原并不是其主要结构成分。牙本质、牙骨质和牙釉质都没有骨所特有的组织内部血液供应，尽管牙髓内含有血管和神经。因此，牙齿不是骨，“硬组织”也比骨组织涵盖更广的范围。(histology.leeds.ac.uk)

骨学是研究骨的学科，采用相互补充的解剖学、组织学和生理学研究方法。解剖学检查确定一块骨的形状、位置、表面及其与其他结构的关系，例如股骨与骨盆和胫骨的关节连接。组织学检查使用显微镜，区分矿化基质、包埋其中的细胞、血管通道，以及邻近的软骨或骨髓。生理学研究则考察各种过程：基质的生成与吸收、对负荷的反应，以及有助于维持内稳态的矿物质交换。因此，骨的外部形态、微观组织结构和持续的细胞活动，代表不同的研究层次，而不是可以相互替代的描述。(openstax.org)

骨骼的分布与分类

人体骨骼通常分为构成头部和躯干中央支架的中轴骨骼，以及由四肢及其支撑带骨组成的附肢骨骼。成人中轴骨骼的标准数量为 80 块骨：颅骨 22 块、听小骨 6 块、舌骨 1 块、脊柱骨 26 块、肋骨 24 块，以及胸骨 1 块。脊柱骨的总数包括骶骨以上彼此独立的 24 块椎骨，以及骶骨和尾骨。中轴骨骼支撑头部和躯干，并围护脑、脊髓及胸腔器官。(openstax.org)

附肢骨骼包含 126 块骨。左右两侧的锁骨和肩胛骨共 4 块，组成肩带；两块髋骨组成骨盆带。每侧上肢有 30 块骨：肱骨、桡骨、尺骨、8 块腕骨、5 块掌骨和 14 块指骨。每侧下肢同样有 30 块骨：股骨、髌骨、胫骨、腓骨、7 块跗骨、5 块跖骨和 14 块趾骨。两种带骨在结构上有所不同：肩带的构造使上肢能够进行大范围活动，而骨盆带则形成稳固的连接，将身体重量从脊柱传递至下肢。因此，骨性骨盆跨越了这两类骨骼的分类界限，既包含附肢骨骼中的髋骨，也包含中轴骨骼中的骶骨和尾骨。(openstax.org)

人们熟悉的 206 块这一总数，是按解剖学惯例统计的结果，并非每位成人都具有的固定数量。发育过程中的融合会减少独立骨骼单元的数量：5 块骶椎融合为骶骨，髂骨、坐骨和耻骨则融合为每侧的髋骨。解剖变异还可能使个体具有额外的骨。关节附近的副骨可能源于未与主体骨融合的骨化中心；手足中的小型籽骨在数量和排列上也存在差异。两块髌骨计入标准总数，而较小的籽骨通常不计入。因此，个体骨骼的统计数量既取决于解剖变异，也取决于计数惯例。(openstax.org)

按形态分类，骨主要分为五类。长骨以股骨为代表，其长度大于宽度，膨大的两端之间有骨干；“长”描述的是比例，而非绝对大小，因此指骨也属于长骨。长骨的细长形态为肌肉驱动的运动提供了杠杆。短骨，如大多数腕骨，其长、宽、厚大致相近，在提供支撑的同时，允许相邻骨之间发生有限的运动。扁骨，包括顶骨，形态较薄，且常有弯曲，并非几何意义上的平板；其宽阔的表面既有助于构成保护性骨壁，也为肌肉提供附着处。两块顶骨构成颅盖顶部和两侧的大部分。(openstax.org)

不规则骨以椎骨为代表，形态复杂，不符合上述各类的特征。一块椎骨兼有承担支撑作用的椎体、围绕椎管的椎弓，以及用于构成关节和提供附着处的突起，使单块骨能够承担多种结构性功能。籽骨的突出特征是其与肌腱的关系：髌骨位于膝关节前方的股四头肌腱内。因此，按解剖位置分类与按形态分类是相互补充的，而非彼此替代的。股骨和髌骨都属于附肢骨骼，却分属不同的形态类别；在中轴骨骼中，扁平的顶骨提供宽阔的保护面，而不规则的椎骨则兼具支撑、保护和构成关节的作用。(openstax.org)

大体解剖与表面特征

典型的长骨由中央的骨干和两端膨大的骨骺组成，两端分别为近端和远端。骨干与每端骨骺之间各有一处干骺端，是未成熟骨中与生长板相关的过渡区域。生长板闭合后，其原有位置可能留下骨骺线。骨干具有较厚的骨密质壁，包围着骨髓腔；骨髓腔内含有骨髓，并非空腔。骨骺主要由骨松质构成，外面包裹着较薄的骨密质壳。在股骨中，这些区域分别对应骨干、朝向髋部和膝部的膨大骨端，以及其间的干骺端。（openstax.org）

骨膜覆盖骨的大部分非关节外表面。其外层为纤维层，由致密结缔组织构成，含有胶原、成纤维细胞、血管和神经；内层为生发层，又称成骨层，紧贴骨皮质，含有能够分化为成骨细胞的祖细胞。穿通的胶原纤维束通常称为沙佩纤维，将骨膜锚定在下方的骨基质上。这种附着使外面的骨膜与骨皮质紧密结合，而不是形成一层可以自由剥离的鞘。肌腱和韧带的附着部位具有特化的界面，因此并非所有附着都只是通过连续的骨膜层实现。骨膜内层的细胞层还提供参与骨生长和修复的细胞。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）

骨内膜是覆盖骨内部表面的薄膜，远比骨膜薄，分布于骨髓腔、骨小梁表面及内部血管管道。与骨膜不同，骨内膜没有厚实的外层纤维层，主要由一层薄的细胞衬层构成，参与骨形成和骨吸收。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）在大多数滑膜关节中，参与关节连接的骨面则覆盖着关节软骨，通常为透明软骨。相对的软骨层之间由含有液体的关节腔隔开。关节软骨与滑液共同形成低摩擦的接触界面，使关节能够活动，而矿化的骨表面不会直接相互摩擦。纤维性关节囊附着于关节区域周围，起支撑作用的韧带则在关节囊外或囊内连接各骨。关节软骨本身不含血管，其营养来自滑液。（openstax.org）

骨表面的突起可用于区分附着部位与关节区域。嵴是明显隆起的骨性脊，例如沿髂骨弧形上缘延伸的髂嵴。（openstax.org）粗隆是较大且表面粗糙的隆起。例如，胫骨近端前面的胫骨粗隆是髌韧带的附着处，股四头肌装置通过髌韧带将牵拉力传递至胫骨。髁是圆钝的关节突起。股骨内侧髁和外侧髁在膝部与胫骨上端相应的关节面相接。它们不同于邻近的上髁：上髁是不参与关节连接的突起，为肌肉和起支撑作用的韧带提供附着部位。因此，骨的突起不一定是附着部位，其作用需根据表面特征和解剖关系来判断。（openstax.org）

骨上的开口和凹陷为结构穿过骨或沿骨走行提供通路。孔是骨上的开口；营养孔供血管进入骨内部。（openstax.org）沟是长条状的凹陷，可容纳血管、神经或肌腱，而不一定贯穿整块骨。例如，骰骨下表面有一条深沟，供肌腱通过。另一些凹陷则参与构成关节的形态：髁间窝从后方分隔股骨的两个髁，而前方的髌面则形成宽阔的关节沟，与髌骨相接。这些例子说明，有些沟用于供结构通过，另一些沟则主要与另一块骨相关。（openstax.org）

细胞外基质与矿化

骨基质由有机支架、矿物相和水组成。含水哺乳动物骨组织的一种典型组成是：按湿重计，矿物质约占 65%，有机物约占 25%，水约占 10%；这些比例并非普适常数，而是随组织年龄、解剖部位和标本制备方法而变化。以干重为基准的测量不计入水分，因此，与同一含水标本的测量结果相比，其矿物质百分比更高。这些数值描述的是骨组织，而非包含骨髓及其他相关组织的整个骨器官。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

有机支架以Ⅰ型胶原为主。其三螺旋分子以错位排列的方式组装成原纤维，沿轴向的重复周期约为 67 nm，形成交替出现的间隙区和重叠区。这种排列为矿物质的嵌入提供了支架，而不只是提供一个供晶体堆积的表面。矿物质既存在于原纤维内部，也存在于原纤维之间。非胶原蛋白质包括骨唾液酸蛋白、骨桥蛋白、骨钙素，以及其他与基质相关的分子，它们参与矿物质结合、细胞黏附和晶体沉积的调控。这些分子的功能不能相互替代：Luc Malaval 及其同事在 2008 年的一项研究中发现，缺乏骨唾液酸蛋白的小鼠在胎儿期和成年早期均出现骨矿化不足，表明即使是含量相对较少的基质成分，也能显著影响矿化。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

骨中的矿物质主要是碳酸根取代的羟基磷灰石，而非化学纯的羟基磷灰石。理想化的磷灰石化学式为 $\mathrm{Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2}$ ，但生物磷灰石中存在碳酸根取代、钙空位，以及钠、镁等离子的取代。碳酸根通常取代磷酸根，约占矿物质质量的 5–8%，而不是占整个湿骨组织质量的 5–8%。这些晶体为纳米尺度，且具有显著的结构无序性。水存在于几种不同的环境中：孔隙水为溶解物质提供介质，而结合更紧密的水则存在于矿物质与有机物的界面，以及有缺陷的矿物晶格内部。2006 年的一项固态核磁共振研究识别出与晶体相关的水，以及矿物表面另一种独立水环境中的水，支持了这样一种观点：水合不仅仅是填充孔隙，还具有结构作用。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

类骨质是成骨细胞分泌后新近沉积、尚未矿化的有机基质。在骨形成表面，一层类骨质将正在分泌的细胞与下方已矿化的组织分隔开。因此，类骨质是骨形成过程中的正常中间产物，并不等同于成熟骨内残留的所有有机物。基质沉积后需经过一段成熟期才开始矿化，而不是在分泌的同时发生矿化。在初级矿化阶段，矿物质含量会在数日内迅速上升，通常达到最终水平的约 50–70%。次级矿化则较为缓慢，可持续数周、数月乃至数年；在此期间，已沉积的基质继续获得矿物质，其矿物相也逐渐成熟。这些阶段涉及现有基质的成熟，而不是骨重塑过程中组织的替换。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

启动矿物质沉积的一种机制依赖于**基质囊泡**，即由参与矿化的细胞释放的、由膜包裹的微小细胞外结构。它们形成局部区室，使钙和无机磷酸盐得以积聚，并形成矿物晶核。囊泡内的酶 PHOSPHO1 通过水解磷酸胆碱和磷酸乙醇胺释放磷酸盐；磷酸盐跨囊泡膜的转运则提供了另一条供应途径。随着矿物质形成，囊泡膜破裂或降解，使初始沉积物暴露于细胞外液，并让矿化扩展至周围基质。组织非特异性碱性磷酸酶（TNAP）通过水解无机焦磷酸盐来促进这一扩展过程，同时生成磷酸盐；无机焦磷酸盐是磷灰石沉积的强效抑制剂。因此，局部磷酸盐与焦磷酸盐之间的平衡至关重要，仅有充足的钙并不足以实现矿化。2011 年报道的实验表明，小鼠同时丧失 PHOSPHO1 和 TNAP 功能时，骨骼矿化完全消失；而仅丧失其中一种酶的功能时，矿化虽受损，却并未完全消失。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

骨细胞及其谱系

形成骨的细胞来源于骨膜中的间充质成骨祖细胞，以及与骨内膜和骨髓相关的基质细胞群中的成骨祖细胞。这些祖细胞先增殖，再定向发育为前成骨细胞，随后分化为分泌基质的成骨细胞。定向分化和成熟需要基因表达发生协调变化，其中包括转录因子 RUNX2 和 SP7（又称 osterix）的活性变化。两者的功能不能相互替代：RUNX2 启动早期成骨程序，而 SP7 则是成骨细胞进一步分化所必需的。1997 年，小森寿久及其同事证明，缺乏功能性 Cbfa1（现称 RUNX2）的小鼠因成骨细胞成熟受阻而无法形成骨化的骨组织。这项实验区分了未成熟骨骼细胞的存在与这些细胞发育成功能性成骨细胞的能力。(ncbi.nlm.nih.gov)

活跃的成骨细胞通常呈立方形，沿正在形成的骨表面排列。其丰富的粗面内质网和发达的高尔基体支持基质成分的合成、加工与分泌。这些成分包括Ⅰ型胶原，以及骨钙素、骨桥蛋白和骨唾液酸蛋白等非胶原蛋白。新沉积但尚未矿化的基质称为类骨质；成骨细胞还提供酶及其他成分，支持类骨质后续的矿化。成熟且分泌基质的成骨细胞通常不再分裂。经过一段时间的骨形成后，各个细胞可能成为包埋在基质中的骨细胞，变扁而成为骨衬里细胞，或发生细胞凋亡，而不是必然走向某一种结局。(ncbi.nlm.nih.gov)

当成骨细胞被新沉积的基质包围，且该基质随后发生矿化时，便发育为骨细胞。在这一转变过程中，胞体缩小，分泌细胞器减少，纤细的细胞质突起向邻近细胞延伸。胞体位于骨陷窝内，突起则穿行于称为骨小管的狭窄通道中。突起之间通过包括缝隙连接在内的接触，使骨细胞彼此相连，并与骨表面的细胞相连。细胞外液围绕着胞体和突起，使这些细胞即使被包埋在矿化组织中，仍能进行物质交换。因此，骨细胞仍是具有生命活性、能够相互通信的细胞，而不是骨形成后留下的无活性残余；它们传递的信号参与调节骨表面细胞的活动及其对机械负荷的反应。(ncbi.nlm.nih.gov)

骨衬里细胞是成骨细胞谱系中形态扁平的细胞，覆盖在相对不活跃的骨表面。与活跃的成骨细胞相比，其分泌细胞器不太发达，基质生成活性也较低。它们有助于调节其他细胞接近下方骨表面的过程，并参与为细胞活动重新启动做好局部准备。这种静息状态未必是永久性的。在 2012 年的一项小鼠谱系追踪研究中，Sang Wan Kim 及其同事通过遗传标记对成熟成骨细胞及其后代进行标记，随后发现，间歇性给予甲状旁腺激素可使带有标记的骨膜衬里细胞转变为更厚、具有活性的成骨细胞样细胞。这些观察针对的是颅骨和长骨的骨膜表面，并未证实骨小梁表面也存在同样的反应。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

破骨细胞属于另一种谱系：它们来源于与单核细胞—巨噬细胞谱系相关的造血前体细胞，而非成骨细胞。单核前体细胞融合形成大型多核细胞；巨噬细胞集落刺激因子和 RANKL 支持其发育。正在进行骨吸收的破骨细胞通过富含肌动蛋白的封闭区紧密附着于骨，在其折叠的膜缘（即皱褶缘）下方围成一个腔室。液泡型质子泵使该腔室酸化，从而溶解骨的矿物相；分泌的蛋白水解酶，尤其是组织蛋白酶 K，则消化暴露出的胶原性基质。由此形成的凹陷称为豪希普陷窝，与容纳骨细胞的小型骨陷窝不同。针对人破骨细胞的实验分别抑制了酸化过程和组织蛋白酶 K 的活性，证明矿物质溶解与有机基质消化是骨吸收过程中机制不同的两个组成部分。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

显微结构

皮质骨又称密质骨，构成骨相对致密的外壳，在长骨骨干处尤其厚。骨小梁构成松质骨，在骨内部形成由相互连接的板状和杆状结构组成的网络，在长骨两端尤为发达；在颅盖骨中，相应的海绵状骨层称为板障。皮质骨与松质骨的主要区别在于结构：皮质骨在连续的骨基质中包含相对细小的管道，而松质骨则围绕着由骨髓占据的、较大且相互连通的空隙。两者都不是完全实心的。理解它们的孔隙率时，必须明确所讨论的尺度，因为血管通道、容纳细胞的腔隙以及更细微的通路形成了不同大小的孔隙。(openstax.org)

与厚实的皮质骨外壳相比，骨小梁结构使单位体积矿化组织具有更大的骨表面积。骨小梁的薄板状和杆状结构使埋藏其中的细胞离面向骨髓的表面较近，而这些表面正是与周围组织进行物质交换的部位。一个简单的几何示例是厚度为 $t$ 的宽阔平板：忽略边缘，其表面积与体积之比约为 $2/t$ ，因此厚度减半时，这一比值会加倍。这描述的是几何关系，并非普遍适用的解剖测量结果。骨小梁含有骨板和骨细胞陷窝，但其基质通常沿表面排列，而不是组织成完整的圆柱状骨单位；邻近骨髓腔隙中的血管为其中的细胞提供营养。(histology.leeds.ac.uk)

成人皮质骨的大部分组织成骨单位，又称哈弗斯系统。每个骨单位都是由同心骨板构成的长圆柱体，围绕着中央管（又称哈弗斯管）排列，管内含有血管、结缔组织和神经。在长骨骨干中，这些圆柱体通常与骨的纵轴大致平行：横切面上可见环状结构，纵切面上则可见延长的管道。穿通管又称福尔克曼管，横向或斜向走行，将各中央管彼此连接，并与骨表面的血管相连。间骨板填充在骨单位之间，而环骨板则环绕皮质骨更大范围的区域。因此，并非所有皮质骨的骨板都属于某个独立的骨单位。(histologyguide.com)

在这两种结构中，骨陷窝—骨小管网络构成了更精细的组织层次。骨细胞的胞体位于骨陷窝内，纤细的突起则沿分支状的骨小管伸展。细胞及其突起周围充满液体的间隙，为溶解的营养物质、代谢废物和信号分子的扩散提供通路；骨小管本身并不是血管。2005年，Liyun Wang及其同事向完整的小鼠皮质骨中引入荧光示踪剂，对单个骨陷窝进行光漂白，并记录示踪剂从邻近间隙进入时的荧光恢复情况，以此测量物质运输。后续实验直接证明，机械载荷可以通过诱导液体流动来增强溶质运输。这些观察结果区分了细胞外液网络中的物质运输与埋藏在骨基质内的细胞网络中的信息交流。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

编织骨和板层骨描述的是基质的组织方式，而不是皮质骨与松质骨的区别。在编织骨中，胶原纤维不规则地交错排列，不具备板层组织特有的有序分层。编织骨出现在骨形成和修复的早期，通常随后被板层骨取代。在板层骨中，胶原组成连续的层次，各层纤维均有优势取向，但层与层之间的取向不同；在偏振光照明下，这种组织方式呈现为明暗交替的条带。成熟的皮质骨和松质骨都以板层骨为主：前者的骨板可围绕管道呈同心排列，后者的骨板则排列在板状和杆状结构内部。因此，“骨小梁”并不等于“编织骨”，“板层骨”也不等于“皮质骨”。(histology.leeds.ac.uk)

血液供应、神经支配与骨髓

典型长骨的血液由滋养动脉、骨膜动脉、干骺端动脉和骨骺动脉供应。一条或多条滋养动脉经滋养孔进入骨干，穿过骨皮质，在髓腔内分为升支和降支。这些分支供应骨髓及大部分内层骨皮质。较细的骨膜血管从骨的外表面进入，供应外周骨皮质。干骺端动脉供应与骨干相接的膨大区域，骨骺动脉则供应骨的两端。在生长中的骨内，软骨性生长板将干骺端与骨骺的血管网隔开；生长板被骨组织取代后，原先分隔的两侧逐渐形成血管连接。这些血液供应共同构成一个相互连通的系统，而非四个完全独立的供血区域。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

在皮质骨内，血管沿骨单位的中央管以及横向或斜向的穿通管走行。埋藏在矿化基质中的骨细胞并非各自由一条毛细血管直接供血：营养物质通过骨陷窝—骨小管网络中围绕细胞体及其突起的充液间隙到达骨细胞。溶解的物质通过扩散在这些短距离内运输，而机械作用引起的液体流动可增强物质交换。在2011年发表的一项研究中，克里斯托弗·普赖斯及其同事测量了完整小鼠胫骨中的荧光示踪剂运输：与单纯扩散相比，峰值载荷为3牛顿的周期性压缩使运输增加了31%。小梁骨的血管分布有所不同，相邻骨髓腔隙中的血管通过相对较薄的骨小梁为细胞提供营养。静脉血经汇集血液的血管和骨上的孔流出。(openstax.org)

感觉神经纤维和自主神经纤维伴随血管进入骨内，也在骨膜和骨髓中形成网络。骨膜的感觉神经分布尤为密集，这与其对损伤和形变高度敏感相一致。骨髓和矿化骨组织也有神经支配，因此骨骼疼痛并不完全来自骨膜。2011年的一项解剖学研究报告，小鼠股骨的骨膜、骨髓和矿化骨组织中，单位组织体积的感觉神经纤维密度之比约为100:2:0.1；这些是实验测量值，并非普遍适用于人体的数值。交感神经纤维常缠绕在血管周围，其功能也不局限于调控血管：在西蒙·门德斯-费雷尔及其同事于2008年报告的小鼠实验中，交感神经有节律地释放去甲肾上腺素，调控骨髓中CXCL12的表达以及造血干细胞每日释放进入血液循环的过程。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

红骨髓具有造血功能，其中既有发育中的血细胞，也有基质组织、血管和脂肪细胞。黄骨髓的脂肪成分较多，造血组织则明显较少；两者的区别在于组织组成，而不是两种截然分开的物质。出生时，骨髓以红骨髓为主。在儿童期和青春期，骨髓的脂肪化通常由四肢骨骼向中轴骨骼推进。大约到25岁时，骨髓形成通常所见的成人分布模式：具有活跃造血功能的红骨髓集中在椎骨、骨盆、肋骨、胸骨、颅骨以及股骨和肱骨的近端，而长骨骨干内则主要是黄骨髓。这种转变会随年龄增长而继续，并存在个体差异。当血细胞生成需求增加时，脂肪化骨髓可重新转变为红骨髓。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

造血环境依赖于有组织的细胞微环境，而不只是骨内可利用的空间。血管内皮细胞及其附近的基质细胞提供信号，维持造血干细胞并调控其在骨髓中的滞留。2013年，丁磊和肖恩·J. 莫里森通过在小鼠中进行细胞特异性基因敲除发现，去除血管周围基质细胞中的CXCL12会导致干细胞数量减少，并促使祖细胞进入血液；而去除成骨细胞中的CXCL12，影响的则是某些早期淋巴系祖细胞。成人中轴骨骼的骨髓中也仍有相当比例的脂肪：2021年一项针对100名无症状受试者的全身磁共振研究发现，男女两性的骨髓脂肪分数均随年龄增长而升高。因此，红骨髓也含有脂肪，而黄骨髓仍保留血管和基质成分，并非变成一个仅填满脂质、没有活性的腔隙。(nature.com)

力学性质与结构功能

椎体通过外层的皮质骨壳和内部的骨小梁网络传递压缩载荷；颅骨在脑周围形成保护性围护结构；四肢骨则充当杠杆，使肌肉力量能够驱动关节运动。这些功能涉及多种载荷的组合，而不只是压缩。运动过程中，地面反作用力和肌肉收缩使股骨与胫骨承受轴向压缩、弯曲和扭转。杠杆作用取决于肌肉作用线与关节旋转轴之间的距离：所产生的转矩等于肌肉力乘以其垂直力臂。因此，肢体内部的作用力可能远大于其所支撑的外部载荷。(openstax.org)

刚度、强度和韧性描述的是不同的力学性质。整块骨的刚度是其抵抗变形的能力，既取决于组织性质，也取决于几何形态；组织的弹性模量则是近似线性的应力—应变关系的斜率。强度描述与屈服或失效相对应的应力或载荷。韧性描述断裂前吸收能量的能力，而断裂韧性专门表征抵抗已有裂纹扩展的能力。骨还具有各向异性，即其性质随加载方向而变化。2013年发表的一项人体皮质骨渐进压缩研究中，纵向初始弹性模量的平均值为19.1 GPa，而周向和径向分别为5.65 GPa和6.49 GPa。这些测量值取决于具体试样和试验方案，并非骨的普适常数。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

矿化基质将相对刚硬的矿物质与以胶原为主、能够变形的有机框架结合在一起。矿物质对弹性刚度有重要贡献，而胶原介导的变形及不同结构层级之间的相互作用，使骨能够在失效前耗散能量。矿化程度增加并不意味着所有性质都会同时改善：刚度增大可能伴随着断裂能降低。孔隙减少了承载材料的数量，并造成局部应力集中；其影响不仅取决于孔隙总体积，也取决于孔隙的大小、排列和取向。约翰·D. 柯里于1988年对18种哺乳动物、鸟类和爬行动物的密质骨进行实验，发现钙含量和固体体积分数共同解释了所观察到的弹性模量变异的80%以上。(nature.com)

几何形态决定了这些组织性质如何转化为结构性能。在理想化的轴向载荷下，平均应力为 $\sigma=F/A$ ，其中 $F$ 为力， $A$ 为承载横截面积。弯曲使骨干一侧受拉、另一侧受压；抗弯能力在很大程度上取决于截面二次矩，而组织距中性轴越远，截面二次矩就越大。因此，粗大的中空骨干能够有效抵抗弯曲，而不必具有同等外径实心骨干的质量。扭转会产生剪切，其抵抗能力同样受到组织在骨干周围分布方式的影响。这些梁模型近似很有用，但并不完备，因为真实的骨具有弯曲且不均匀的形态，并承受组合载荷。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

骨表现出黏弹性：变形取决于时间和加载历史。蠕变是指在持续应力作用下应变不断增加；应力松弛则是指变形保持不变时应力逐渐减小。反复施加低于失效水平的载荷可能使疲劳损伤累积，导致刚度逐渐下降，最终发生断裂。2005年，约翰·R. 科顿及其同事报告了29次拉伸疲劳试验，所用的人体股骨皮质骨试样来自4名年龄为53～79岁的供体；与仅用归一化应力相比，模量下降速率能够更好地预测疲劳寿命和蠕变应变速率。通过生物过程清除并替换受损组织属于骨重塑，而非即时的力学响应。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

骨量衡量骨的数量，而骨质量涵盖与力学性能相关的特征，例如结构构型、矿化程度、基质状况和累积损伤。如果空间分布或材料性质不同，等量的骨也不一定具有相同的强度。抗裂能力同样产生于多个尺度：裂纹尖端附近的变形耗散能量，骨单位边界使扩展中的裂纹偏转或扭转，而未断裂的组织桥连接裂纹两侧表面，降低有效的裂纹扩展驱动力。2008年，K. J. 科斯特、J. W. 阿格三世和R. O. 里奇研究了人体皮质骨中长度小于600 μm的裂纹，证明裂纹扩展阻力取决于取向，并随着裂纹遇到这些结构障碍而逐渐增强。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

胚胎形成与骨化

骨骼发育始于间充质凝聚，即胚胎细胞在局部聚集，确定未来骨骼结构的位置和初步轮廓。这些细胞的发育来源因部位而异。形成体节的轴旁中胚层提供生骨节细胞，后者形成椎骨和肋骨；侧板中胚层形成大部分肢体骨骼；颅神经嵴则广泛参与面部及颅骨前部骨骼组织的形成。因此，颅骨具有不止一种胚胎细胞谱系来源。Xiaobing Jiang及其同事于2002年报道的小鼠谱系追踪实验显示，额骨源于神经嵴，而顶骨源于中胚层。胚胎来源与骨化机制是两个不同的分类维度：无论来自哪一种谱系，组织都可以直接形成骨，也可以经过软骨中间阶段形成骨。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

在膜内骨化过程中，间充质细胞直接分化为成骨细胞，而不先形成软骨模型。这一途径形成颅盖骨，包括额骨和顶骨。在有血管分布的凝聚区内，成骨细胞群形成骨化中心，并分泌类骨质；类骨质是富含Ⅰ型胶原、起初尚未矿化的基质。矿物质沉积使这一基质硬化，部分被包埋的成骨细胞转变为骨细胞。不断扩展的骨沉积相互连接，在血管周围形成编织骨的骨小梁网络，同时周围的间充质形成骨膜。随后的沉积和重塑形成内外两层密质骨板，其间为骨小梁构成的骨组织。因此，“膜内”描述的是骨的形成途径，而非成熟骨具有某种独特的成分。(ncbi.nlm.nih.gov)

软骨内骨化形成大多数肢体骨和中轴骨骼的大部分。在这一过程中，凝聚的间充质细胞首先转变为软骨细胞。这些细胞构建以Ⅱ型胶原为主要成分的软骨模型。在未来骨干附近，软骨细胞增大，即发生肥大，其周围的基质随之矿化。与此同时，软骨膜下的成骨细胞通过膜内骨化形成骨领，软骨膜转变为骨膜。血管穿过骨领，进入中央的软骨组织，建立初级骨化中心。具有吸收作用的细胞清除部分钙化软骨，成骨细胞则在残留的软骨间隔上沉积骨组织。因此，早期形成的骨小梁以软骨为核心，外覆新生骨组织：单纯的软骨钙化并不等于骨化。(ncbi.nlm.nih.gov)

骨化从初级骨化中心向发育中长骨的两端扩展，同时骨吸收形成髓腔。次级骨化中心在骨骺内形成，通常出现在出生前后或出生后，但具体时间因骨而异。软骨保留在关节表面，并以生长板软骨的形式保留在骨骺与干骺端的骨组织之间；其后对骨纵向生长的贡献属于骨骼成熟过程。细胞转变的过程也比“所有软骨细胞死亡后被替换”这一模式更为复杂。2014年，Liu Yang及其同事利用小鼠遗传谱系追踪证明，部分肥大软骨细胞能够存活，其后代细胞可成为成骨细胞和骨细胞。这证实，除周围组织中的成骨祖细胞外，软骨细胞来源的细胞也参与形成骨生成细胞。(openstax.org)

细胞分化受细胞外信号和细胞内转录因子共同控制。骨形态发生蛋白（BMP）既参与细胞凝聚，也参与后续的骨骼分化：在鸡胚肢体中抑制BMP活性的实验表明，凝聚阶段以及向软骨细胞分化的过程都需要BMP活性。SOX9促进软骨分化程序，包括软骨基质基因的表达。1999年，Weimin Bi及其同事发现，缺失Sox9的小鼠细胞无法参与软骨形成，也不能表达软骨细胞的特征性标志物。RUNX2旧称Cbfa1，对两种骨化途径中的成骨细胞分化均不可或缺。1997年，Toshihisa Komori及其同事发现，小鼠Cbfa1基因的纯合性失活会使成骨细胞成熟停滞，并阻止骨化。这些实验区分了两者的调控功能：SOX9是软骨形成所必需的，而RUNX2是产生已分化的骨生成细胞所必需的。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

生长、成熟与衰老

长骨的纵向生长发生在生长板，即骨骺与干骺端之间的一层软骨。从骨骺侧向干骺端方向，生长板的主要分区依次为静止区、增殖区和肥大区；有些分类还单独划分出肥大前区和终末钙化区。静止区的软骨细胞为骨生长提供祖细胞。这些细胞的后代在增殖区反复进行细胞分裂，形成与骨长轴平行的细胞柱。随后，它们停止分裂，并在肥大区显著增大。软骨基质的生成、细胞增殖，尤其是细胞肥大，共同增加了骨两端之间的距离。(journals.plos.org)

在干骺端边缘，软骨基质发生钙化，血管随成骨细胞和骨吸收细胞一同进入。成骨细胞在残留的钙化软骨支架上沉积骨质；随着干骺端骨小梁成熟，这些支架随后被替代。这一过程是骨取代软骨，而不是软骨仅通过矿化就变成永久性的骨组织。许多终末期软骨细胞会发生凋亡，不过动物谱系追踪实验显示，其中一部分细胞的后代会进入成骨细胞谱系。在生长持续期间，新软骨的生成与骨化前沿处的软骨清除保持协调，使生长板得以在骨不断延长的同时持续存在。骨直径的增长则有所不同：在附加生长中，成骨细胞在骨膜下增添骨质，而内表面的骨吸收使髓腔扩大。纵向生长结束后，骨直径仍可继续增加。(journals.plos.org)

随着骨骼逐渐成熟，生长板的生长活性降低，软骨细胞的增殖和肥大逐渐减少。最终，软骨被骨取代，骨骺与干骺端融合，留下骺线。生长板闭合会终止该处的骨长度增长，但并不意味着骨表面沉积或骨骼更新的终止。闭合时间因骨骼部位和个体而异，并非所有人都在某个固定年龄发生。雌激素信号对两性的生长板闭合都很重要：1994年，埃里克·P·史密斯及其同事报道了一名28岁男性，他携带破坏雌激素受体功能的突变，成年后身高仍持续增长，骨骺尚未完全闭合，但青春期发育在其他方面均正常。(journals.plos.org)

骨骼成熟与峰值骨量相互关联，但并不是同一概念。骨停止延长的时间不一定与骨矿物质含量达到最高值的时间一致，因为即使骨的尺寸已接近成人水平，矿物质仍可继续积累。在2011年的一项纵向分析中，亚当·D·G·巴克斯特-琼斯及其同事发现，骨面积通常比骨矿物质含量早一至两年达到平台期。全身骨矿物质含量约在身高增长速度达到峰值六年后进入平台期——在该队列中，女孩约为18岁，男孩约为20岁——而股骨颈骨矿物质含量则约在身高增长速度达到峰值两年后进入平台期。在身高增长速度峰值前后的四年间，参与者积累的骨矿物质约占其青年成人期全身骨矿物质含量的39%。这些队列估计值说明不同部位的成熟进程有所差异，并不代表适用于每个人或每项骨量指标的固定年龄。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

成年后期，骨吸收日益超过骨形成，导致骨量处于负平衡。皮质骨的变化包括变薄和孔隙率增加；骨小梁则可能变薄、出现穿孔或失去连接，其间隙也随之扩大。这些变化的模式因部位和性别而异。桑迪普·科斯拉及其同事在2006年对602名21至97岁成人开展的横断面研究发现，腕部骨小梁体积随年龄下降，在女性中更多表现为骨小梁数量减少，而在男性中则主要表现为骨小梁变薄。另一项研究将腕部面积骨矿物质密度相近的年轻成人与老年成人进行比较，发现老年女性的皮质骨孔隙率约高出91%，老年男性约高出56%。这表明，相近的骨密度测量值可能掩盖不同的年龄相关骨微结构变化。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

绝经过渡期包含一段骨量加速流失的时期，而不是在月经停止当天突然发生一致的变化。盖尔·A·格林代尔及其同事于2012年对“全美国妇女健康研究”的862名参与者进行分析，发现腰椎和股骨颈的骨矿物质密度下降约在末次月经前一年开始加速，并在末次月经后约两年减缓，但并未停止。在该研究的参照组模型中，这一时期的腰椎骨密度每年下降约2.46%。不同参与者的下降速率有所差异，而绝经后持续的骨量流失比过渡期内更缓慢。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

骨塑建、骨重建与力学适应

骨塑建通过在不同表面独立发生的骨形成和骨吸收来改变骨的大小与形状；骨形成不一定要在局部骨吸收之后发生。例如，长骨骨膜面的骨沉积可增大其外径，同时骨内膜面的骨吸收可扩大骨髓腔。骨塑建在生长过程中尤为显著，但成年人在适应力学需求变化时也会发生。相比之下，骨重建是在同一部位依次进行骨吸收和骨形成，以替换一小块既有骨组织。它能更新组织、修复微观损伤，而不一定改变骨的整体形状。“耦联”描述的是这些活动之间的协调，并不意味着形成的骨量必然等于吸收的骨量。(ncbi.nlm.nih.gov)

骨重建由暂时形成的基本多细胞单位（BMU）执行，其组成包括破骨细胞、成骨细胞谱系细胞，以及相关的血管和结缔组织。在皮质骨中，富含破骨细胞的切削前沿挖出一条隧道，随后成骨细胞围绕血管管道形成同心骨板，将隧道重新填充；在骨小梁表面，这一单位则挖出并重新填充一个浅凹。在激活阶段，局部信号招募破骨细胞前体，并使原本处于静息状态的表面成为可开展重建的部位。骨吸收清除矿物质和有机基质。接下来的逆转阶段将挖掘与重建衔接起来：成骨细胞谱系细胞进驻被侵蚀的表面，帮助其为骨沉积做好准备。2016年一项针对成人松质骨的研究在这些早期逆转细胞中发现了胶原降解相关分子，包括MMP-13和胶原受体uPARAP/Endo180。在骨形成阶段，成熟的成骨细胞沉积富含胶原的类骨质，随后类骨质发生矿化。骨吸收通常持续数周，而重新填充则需要数月；矿物质的成熟过程在初始沉积之后仍会继续。(ncbi.nlm.nih.gov)

嵌于基质中的骨细胞构成一个分布式的机械转导系统，将机械刺激转化为细胞信号。负荷使骨发生变形，并驱动液体在包围骨细胞胞体及其突起的骨陷窝—骨小管空间中流动。由此产生的流体剪切力，以及细胞附着结构的变形，共同参与对局部力学环境的感知。2013年报道的实验在承受动态负荷的小鼠长骨中，检测到了骨细胞内反复出现的钙信号峰；这些信号峰的频率和幅度取决于负荷大小、组织应变以及估算的局部流体剪切力。2017年一项活体小鼠研究进一步表明，骨细胞的钙反应同时编码应变幅度和加载频率。因此，这种反应不仅取决于负荷强度，也取决于加载的时间模式。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

连接骨细胞感知与骨表面骨形成的因素之一是硬化蛋白。这种蛋白由SOST基因编码，可抑制参与调控成骨细胞活动的Wnt信号通路。在亚历山大·G. 罗布林及同事于2008年发表的实验中，对小鼠尺骨施加机械负荷降低了Sost转录本和硬化蛋白的水平；承受更大应变的区域，下降幅度也更大。相反，后肢卸载使胫骨中的Sost表达增加。硬化蛋白减少会解除其对骨形成的抑制，而卸载时表达增加则会促使骨形成减少。这种局部信号机制使同一块骨的不同区域能够根据各自的力学环境作出不同反应。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

沃尔夫定律源于尤利乌斯·沃尔夫于1892年出版的《骨转化定律》（Das Gesetz der Transformation der Knochen），该书将骨的内部结构和外部形态与力学需求联系起来。这一定律是对功能适应现象的历史性概括，而不是能够规定任意负荷会产生多少骨量的普适定量法则。现代实验在这一宏观关系之下，揭示了细胞信号机制以及对加载模式的依赖。固定制动或卧床休息期间，负荷减少会使局部平衡向骨丢失倾斜，而不只是简单地逆转生长。在一项为期90天的卧床研究中，研究对象为29名25至48岁的成年人；对未接受干预的对照组参与者进行超声测量显示，跟骨的宽带超声衰减和超声传播速度持续下降至第60天，随后进入平台期并维持至第90天。这表明，与废用相关的变化可在数月内出现，而且不一定以恒定速率发展。(link.springer.com)

矿物质稳态与调节信号

骨骼储存着全身约 99% 的钙和 85% 的磷，主要存在于矿物晶体中。骨骼通过与细胞外液交换矿物质来维持矿物质稳态：一个规模较小、易于动员的矿物质储备池可进行相对快速的交换，而破骨细胞介导的骨吸收则在较长时间内从矿化基质中释放钙和磷酸盐。矿物质沉积会将二者从细胞外液中移除。这些物质流动与肠道吸收以及肾脏的重吸收和排泄共同发挥作用；因此，血钙浓度并不能直接反映骨骼中的钙储量。(ncbi.nlm.nih.gov)

当甲状旁腺中的钙敏感受体检测到细胞外离子钙浓度下降时，甲状旁腺激素（PTH）的分泌便会增加。PTH 促进肾脏保留钙，同时减少近端肾小管对磷酸盐的重吸收，从而促进磷酸盐排泄。它还会刺激肾脏生成骨化三醇，即维生素 D 的活性形式，进而增加肠道对钙和磷酸盐的吸收。因此，尽管骨吸收会同时释放这两种矿物质，它们在血液中的浓度却不一定同步升高。骨化三醇主要通过维持矿物质的供应来支持矿化；它还会通过反馈作用抑制 PTH 的合成。(ncbi.nlm.nih.gov)

PTH 对骨骼的影响取决于作用的持续时间和方式。PTH 水平持续升高通常会通过成骨细胞谱系细胞中的信号传导促进骨吸收，而不是直接刺激破骨细胞。短暂、间歇性的作用则可通过增强成骨细胞的分化和存活来促进骨形成。在 2003 年的一项小鼠骨髓细胞实验中，间歇性作用提高了成骨细胞分化标志物的表达，而持续作用使 RANKL 与骨保护素的信使 RNA 比值升至原来的 25 倍，并产生了大量多核破骨细胞。实验中的这一比值说明调节作用会随暴露方式而变化，并不代表人体普遍存在同样的定量反应。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

成纤维细胞生长因子 23（FGF23）主要由骨细胞产生，通过内分泌作用将骨与肾脏对磷酸盐的处理联系起来。它通过成纤维细胞生长因子受体及其共受体 α-Klotho 发挥作用，减少肾脏的钠–磷酸盐协同转运，增加磷酸盐随尿液的排出。它还会抑制负责生成骨化三醇的酶 CYP27B1，同时增强由 CYP24A1 介导的维生素 D 代谢物分解。这些作用与 PTH 对骨化三醇合成的促进作用相拮抗。骨化三醇又会反过来刺激 FGF23 的生成，从而在肠道矿物质摄取与肾脏磷酸盐排出之间建立反馈机制。(ncbi.nlm.nih.gov)

局部骨吸收由 RANK–RANKL–骨保护素系统调节。RANKL 与破骨细胞前体上的 RANK 结合，促进其分化，并支持成熟破骨细胞的功能；分泌到细胞外的骨保护素则作为诱饵受体，结合并截留 RANKL。因此，成骨细胞谱系细胞既调节骨形成，也调节骨吸收。2011 年，中岛友纪（Tomoki Nakashima）及其同事证实，特异性删除小鼠骨细胞中的 RANKL 会严重阻碍破骨细胞的形成，表明嵌于骨基质中的骨细胞是骨重塑过程中这一信号的重要来源。骨保护素的抑制作用早在 1997 年就已得到实验证实：威廉·西蒙内特（William Simonet）及其同事发现，使啮齿动物表达骨保护素或向其给予骨保护素，均可减少破骨细胞分化并增加骨量。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

经典Wnt 信号通路通过 Frizzled 受体、LRP5/6 共受体以及依赖 β-连环蛋白的基因表达调控，促进成骨细胞的发育和功能；其细胞外拮抗因子包括硬化蛋白和 Dickkopf 蛋白。在小鼠实验中，破坏 Lrp5 会减少成骨细胞增殖和骨形成。性类固醇激素可抑制骨吸收：雌激素影响破骨细胞的存活和局部调节信号，而雄激素支持骨形成，也可通过转化为雌激素发挥作用。因此，绝经时雌激素水平下降会使骨转换的平衡偏向更强的骨吸收。糖皮质激素属于皮质类固醇，过量时会抑制成骨细胞的生成，并促进成骨细胞和骨细胞凋亡；其早期作用还可能延长破骨细胞的存活时间。因此，糖皮质激素对骨骼的持续影响并不只是增加骨吸收，更表现为骨形成显著减少。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

骨折与生物学修复

骨折是骨连续性的中断，其分类部分依据外加负荷与骨骼强度之间的关系。创伤性骨折发生于急性负荷超过骨的承受能力时，例如跌倒或碰撞。疲劳性骨折发生于原本正常的骨反复承受负荷，微损伤的产生速度超过骨重塑的修复速度时；跑步者的跖骨骨折就是一例。骨质不全性骨折发生于强度减弱的骨在承受正常生理负荷时，包括受骨质疏松影响的骨。疲劳性骨折与骨质不全性骨折通常统称为应力性骨折。病理性骨折发生于患病的骨；在较狭义的分类中，这一术语指穿过肿瘤等局灶性病变的骨折，而非由全身性骨骼强度减弱引起的骨折。这些类别区分的是发生机制，而不是骨折线的形态。(ncbi.nlm.nih.gov)

大多数骨折经历二期愈合，即间接骨愈合，由暂时性的骨痂连接骨折断端。血管破裂后立即形成血肿，其中含有血液和骨髓来源的细胞。局部细胞死亡和炎症启动修复过程：包括巨噬细胞在内的炎症细胞释放信号，募集祖细胞并协调组织形成。来自骨膜、骨内膜和骨髓的间充质祖细胞分化为成骨细胞和产生软骨的软骨细胞。血凝块逐渐被肉芽组织和含有纤维组织及软骨的软骨痂取代。软骨痂可初步连接断端，但尚不具备矿化骨的刚度。各阶段在空间和时间上相互重叠，并非界限分明、依次发生的步骤。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

在硬骨痂形成过程中，软骨逐渐成熟，其基质发生矿化；伴随血管长入和软骨清除，软骨通过软骨内成骨被骨组织取代。成骨细胞也通过膜内成骨，在骨膜表面直接形成骨组织。由此形成的矿化连接结构最初含有编织骨。随后，破骨细胞介导的骨吸收与成骨细胞介导的骨沉积，将这一暂时性结构替换为排列有序的板层骨，减少多余骨痂，并逐步恢复皮质骨和髓腔的结构。因此，力学上的连接先于骨结构的完全恢复：骨折断端可能已经连接，但骨痂的结构仍与原有骨不同。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

一期愈合，即直接愈合，发生于紧密对合的骨折断端之间活动和应变足够低时，通常需要绝对稳定的条件。这一过程不会形成明显的外骨痂，也不经过软骨中间阶段。在皮质骨接触愈合中，由破骨细胞引导的“切割锥”穿过骨折线，血管和成骨细胞随后进入，重建纵向排列的骨单位。对于较小且稳定的间隙，则可先直接沉积骨组织，再进行骨单位重组。因此，直接愈合并不意味着没有骨重塑，而是指在不形成二期修复所特有的大量桥接骨痂的情况下恢复骨的连续性。愈合途径并非仅由固定装置决定：断端接触情况、间隙的几何形态以及实际的力学环境才是决定性因素。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

血液供应输送修复所需的氧和其他成分，而新生血管的生长则支持软骨性骨痂向骨组织转化。严重的软组织损伤和血管破坏可能妨碍这一过程。随着修复组织逐渐成熟，其力学要求也会变化：有限的活动并不妨碍骨痂介导的愈合，但过度移位可能反复损伤正在形成的连接结构，阻止骨折愈合。稳定性与血供状况是相互依存的条件；即使骨折在力学上稳定，若其生物学环境严重受损，仍可能无法愈合。(orthoinfo.org)

延迟愈合指愈合进展慢于针对该类骨折及该患者所预期的速度。**骨不连**指未能建立骨性连续性，通常在连续多次检查中也看不到愈合进展。常用的时间判定标准是伤后九个月，但根据骨折部位和具体情况，临床上可能更早作出判断；没有一个时间界限适用于所有骨。畸形愈合与二者均不同：骨折已经愈合，但位置异常，例如成角、旋转或短缩。这些术语描述的是修复进展和解剖学结局，并非可以互换的不同严重程度。(orthoinfo.org)

疾病与发育障碍

骨质疏松症通过骨量丢失和骨微结构退化降低骨骼强度；矿化缺陷并非其主要特征。髋部骨折、椎体骨折和腕部骨折是其典型后果，随着年龄增长、绝经以及使用糖皮质激素，发生这些骨折的风险会增加。相比之下，骨软化症是新形成的骨基质矿化不足，导致未矿化的类骨质过度积聚。病因包括维生素D缺乏、维生素D代谢障碍，以及钙或磷酸盐供应不足，后者也可由肾脏丢失磷酸盐所致。佝偻病影响生长中的骨骼，既干扰生长板的矿化，也干扰骨组织的矿化。它可导致生长障碍、腿部弯曲，以及肋骨与肋软骨连接处膨大，即“佝偻病串珠”。骨软化症和骨质疏松症均可导致骨折，但两者所涉及的组织异常不同。(niams.nih.gov)

成骨不全症是一组以骨脆性增加为特征的遗传性疾病，表现可从骨折次数相对较少，到严重畸形及出生前即发生骨折不等。约90%的病例涉及 COL1A1 或 COL1A2 的变异，这两个基因编码Ⅰ型胶原的肽链。这些变异可减少胶原的生成，或改变其分子结构；较罕见的类型则影响胶原的加工或成骨细胞。伴随表现包括蓝色或灰色巩膜、牙齿发育异常和听力损失。骨硬化症体现了另一种机制：破骨细胞形成不足或功能缺陷阻碍正常的骨吸收，使骨异常致密，却容易骨折。严重类型会使骨髓腔变窄，妨碍血细胞生成，而增厚的颅骨可压迫神经，损害视力或听力。这两种疾病均表明，骨矿物质密度更高并不一定意味着骨强度更高。(medlineplus.gov)

软骨发育不全主要改变骨骼生长，而非骨基质矿化。FGFR3 基因的激活性变异使成纤维细胞生长因子受体3过度活跃，抑制软骨内成骨过程中软骨向骨的正常转化。由此造成的身材矮小伴有身体比例失调，尤以上臂和大腿受影响明显，而躯干大小相对正常。该病在新生儿中的发生率约为每15,000至40,000人中1例，呈常染色体显性遗传。约80%的患者出生于未患病的父母，原因是致病变异为新发变异，而非遗传自患病的父亲或母亲。(medlineplus.gov)

骨佩吉特病是一种局部骨重塑紊乱，通常发生于老年人。骨吸收加速之后，继而出现快速而紊乱的骨形成，导致骨增大、变形且力学强度下降。常见受累部位包括骨盆、脊柱、颅骨、股骨和胫骨；表现包括肢体弯曲、骨折，以及颅骨受累时的听力损失。骨髓炎是骨的感染性疾病，通常由细菌引起：病原体可经血流到达骨组织，从邻近的感染组织蔓延而来，或在外伤或手术后侵入。骨坏死则由血液供应中断、骨组织死亡所致。股骨头是常见部位，其结构破坏最终可导致关节面塌陷。骨折或脱位可损伤供血血管；相关的非创伤性因素包括长期使用大剂量皮质类固醇和过量饮酒。(niams.nih.gov)

慢性肾脏病可通过磷酸盐排泄障碍和骨化三醇（维生素D的活性形式）生成减少，引发全身性的矿物质和骨代谢紊乱。钙磷平衡改变及继发性甲状旁腺功能亢进会扰乱骨转换。这一疾病的骨骼病变称为肾性骨营养不良，并非单一、均一的病变：它包括与甲状旁腺激素过多相关的高转换型骨病、低转换型无动力性骨病、矿化缺陷及混合型病变。儿童可能出现生长障碍和骨骼畸形，成人则更容易发生骨折。这一更广泛的疾病还包括血液中矿物质和激素水平异常，以及骨骼以外组织的钙化，包括血管钙化。(niddk.nih.gov)

原发性骨恶性肿瘤起源于骨骼组织，而骨转移则是起源于其他部位的癌症转移至骨骼的结果。骨肉瘤的定义性特征是恶性细胞直接生成骨或类骨质；它最常见于青少年和年轻成人，常累及膝关节附近的长骨。在成人中，骨转移瘤远比原发性骨癌常见。乳腺癌和前列腺癌是重要来源，其骨转移灶仍保留原发恶性肿瘤的性质：椎骨中的乳腺癌病灶属于转移性乳腺癌，而不是新发生的原发性骨癌。白血病和多发性骨髓瘤起源于与骨髓相关的造血细胞谱系或免疫细胞谱系，即使会损害骨骼，在概念上也不同于骨组织的原发性肿瘤。(cancer.gov)

临床检查与测量

普通X射线摄影利用X射线衰减程度的差异显示矿化骨，可呈现骨骼的对位情况、骨皮质轮廓、骨折线，以及骨硬化或骨破坏等变化。其投影图像中的结构会相互重叠，而且影像正常并不能排除早期损伤：例如，在骨折线或愈合反应出现之前，跖骨应力反应可能无法在X射线片上显现。X射线计算机断层成像（CT）可重建横断面图像和三维影像，更细致地显示复杂骨折、关节面受累情况及骨病变。磁共振成像（MRI）使用磁场和射频信号，而非电离辐射。它尤其有助于了解骨髓、软骨、韧带和周围软组织的情况；在X射线片仍无异常时，应力性损伤所致的骨髓水肿就可能已在MRI上显现。(radiologyinfo.org)

双能X线吸收测定法（DXA）利用两种能量的X射线衰减差异，将骨矿物质与覆盖其上的软组织区分开来。检查通常在腰椎和股骨近端进行，主要结果是面积骨矿物质密度，即矿物质质量除以骨的投影面积，以 $\mathrm{g/cm^2}$ 表示，而不是单位组织体积内的矿物质质量。因此，骨的大小会影响结果：几何形状相似的小骨和大骨，即使体积骨矿物质密度相同，面积密度也可能不同。由此可见，DXA测量的是与骨骼强度相关、具有临床价值的指标，而不是强度本身。单一的密度值无法充分反映骨的几何形态、骨皮质孔隙率、骨小梁连接性、基质特性及累积损伤。(www-pub.iaea.org)

T值和Z值代表不同的比较方式。T值的计算公式为 $T=(BMD_{\mathrm{patient}}-\mu_{\mathrm{young\ adult}})/\sigma_{\mathrm{young\ adult}}$ ；Z值则将其中的均值和标准差替换为适当的同龄参照人群的均值和标准差。国际临床骨密度测量学会在2023年立场声明中规定，绝经后女性及50岁及以上男性应使用T值：在认可的诊断部位测得的T值为 $-2.5$ 或更低，即符合骨质疏松症的骨密度诊断标准。绝经前女性、50岁以下男性及儿童宜优先使用Z值； $Z\leq-2.0$ 表示“低于该年龄的预期范围”，并不自动意味着骨质疏松症。连续随访测量还需要进行仪器校准，并采用各检查机构自身确定的最小显著变化值，因此，微小的数值差异不一定代表生物学变化。(iscd.org)

实验室检查用于评估矿物质代谢，以及探查骨骼异常的可能原因。检测项目包括血清钙、磷酸盐、碱性磷酸酶、肌酐和25-羟维生素D；在适用情况下，甲状旁腺激素和尿钙检测可提供补充信息。这些指标反映全身状况，并非对某一椎骨或股骨的检测。骨转换生物标志物包括骨形成标志物Ⅰ型前胶原氨基端前肽（P1NP），它在胶原加工过程中释放；以及骨吸收标志物Ⅰ型胶原羧基端肽（CTX），它在基质降解过程中释放。它们的浓度反映整个骨骼的总体活动，无法定位异常。对检测结果的解读会受到肾功能、近期骨折、采样时间、空腹状态及检测方法变异性的影响；这些指标不能单独确诊骨质疏松症，也不能直接测量骨量的净增加或净减少。(ncbi.nlm.nih.gov)

当影像学检查和生化测量仍无法解决具有重要诊断意义的问题时，活组织检查可提供组织层面的证据。对局灶性病变进行影像引导下取样后，可通过显微镜检查鉴别病变，例如区分肿瘤与感染。代谢性骨病评估则通常采用髂嵴标本及定量组织学检查，即骨组织形态计量学，测量骨体积、类骨质、细胞活动和矿化情况。按一定时间间隔给予四环素，可标记正在矿化的表面；将荧光标记之间的距离除以两次标记的时间间隔，即可估算矿物质沉积速率。由此能够区分矿化缺陷与骨转换异常，尽管两者可能产生相似的骨密度测量结果。改善全球肾脏病预后组织（KDIGO）的2017年指南指出，对于慢性肾脏病患者，如果确定肾性骨营养不良的类型会影响诊疗决策，可考虑进行活组织检查；骨密度扫描无法作出这种组织学区分。(radiologyinfo.org)

骨科重建与骨替代材料

骨折复位是将移位的骨折碎片恢复到适当的解剖位置关系；制动与固定则在修复过程中维持这一关系。复位可以通过不暴露骨折部位的手法操作完成，也可以通过切开外科学手术完成。石膏和夹板提供外部支撑，而内固定则使用置入体内的钢板、螺钉或棒。髓内钉位于骨髓腔内，钢板则固定在骨表面。外固定则将损伤两侧插入骨内的固定针连接到皮肤外的支架上。当严重的软组织损伤使大范围手术暴露不宜进行时，这种装置可以稳定骨折。成人桡骨和尺骨双骨折体现了精确重建的重要性：对位不良会影响前臂旋转，而钢板螺钉固定是一种常用且成熟的治疗方法。固定提供的是机械支撑，并不能替代愈合的生物学过程。(orthoinfo.org)

骨移植物的生物学功能分为三类：成骨作用，即由活的成骨细胞形成骨；骨诱导作用，即刺激祖细胞向成骨细胞谱系分化；以及骨传导作用，即提供供宿主组织沿其生长的支架。这些功能相互补充，而不能彼此替代。自体骨移植是在同一患者体内转移骨组织，常取自髂嵴，可提供活细胞、诱导信号和矿化支架。其局限包括可获取的骨量有限，以及供骨部位可能出现疼痛、出血、感染或骨折。脊柱手术中切除的骨也可在局部重新利用，从而避免另行切开取骨。(orthoinfo.org)

同种异体骨移植物来自其他人类供者，通常由骨库提供。经过常规处理的同种异体骨主要提供具有骨传导作用的支架，而非能够存活并独立成骨的供者细胞。脱矿骨基质是同种异体骨的衍生材料，经去除矿物质后，保留有机支架及相关蛋白质。合成替代材料包括钙基陶瓷：这类材料无需从供者取骨，且可实现稳定、可重复的供应，但普通的无细胞陶瓷本身并不提供成骨细胞。羟基磷灰石和磷酸三钙基质就是已被研究用作人骨髓基质细胞载体的例子。2003年发表的一项实验室比较研究发现，缺钙羟基磷灰石、β-磷酸三钙和脱矿骨基质的细胞接种效率存在差异，说明看似相近的支架与细胞之间的相互作用未必相同。(orthoinfo.org)

在骨与植入物的界面处，骨整合指活骨与植入物之间形成直接的结构和功能连接，其间没有纤维组织层。非骨水泥型关节置换依赖初始机械固定，随后骨组织长到具有纹理的表面上，或长入多孔涂层。例如，髋关节置换中的多孔髋臼杯和股骨柄为骨长入提供了空间。羟基磷灰石涂层可促进骨科植入物表面的组织整合。骨水泥固定采用的是另一种机制：聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥将假体组件固定，而非骨水泥固定则依靠骨组织与植入物本身形成生物学连接。金属的存在或最初实现的压配固定，都不能证明骨整合已经发生。(orthoinfo.org)

组织工程将支架与细胞及生物信号相结合，探索超越无细胞填充材料能力范围的组织再生。拉涅里·夸尔托及其同事于2001年2月1日发表的一份早期临床报告描述了三名患者，其胫骨、尺骨和肱骨的节段性缺损分别为4厘米、4厘米和7厘米。研究者将自体骨髓基质细胞接种到按各处缺损形状制作的大孔羟基磷灰石支架上，并通过外固定提供初始机械稳定性。这一小规模病例系列展示的是一种细胞与支架相结合的重建方法，并不能证明组织工程构建物可以常规替代传统植骨。支架开发和基于细胞的骨再生仍属于研究领域；与固定装置和传统植骨材料的成熟应用不同，支持常规使用干细胞实现脊柱融合的证据仍然有限。(nejm.org)

比较解剖学与演化

骨广泛存在于硬骨鱼类及其四足动物后裔——两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类——之中，但矿化的骨骼未必是骨质骨骼。鲨鱼、鳐鱼和银鲛的内骨骼主要由软骨构成，通常由称为镶嵌片（tesserae）的矿化小片加固。这些小片属于钙化软骨，而非通常意义上的骨；牙齿和皮齿则是另外的矿化组织。硬骨脊椎动物的骨在细胞组成上也存在差异：现生真骨鱼类中，超过半数具有无骨细胞骨，又称“无细胞”骨。这种组织缺少的是埋在骨基质中的骨细胞，而非所有活细胞：骨表面仍有成骨细胞和骨吸收细胞。因此，哺乳动物的骨组织结构并不适用于所有脊椎动物。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）

比较解剖学将祖先中与体表甲胄相关的皮骨骼，与身体内部的内骨骼区分开来。皮骨骼的组成部分包括颅顶骨和骨板，内骨骼的组成部分则包括椎骨和四肢骨。许多内骨骼骨在发育过程中与软骨有关，而皮骨通常直接在结缔组织内形成；不过，按演化来源划分与按骨化机制划分，并不是可以互换的分类方式。头骨兼有这两个系统：皮骨来源的颅顶骨与软骨来源的脑颅部分并存。无颌脊椎动物化石保存的皮骨骼尤其能提供重要信息。在志留纪至泥盆纪的异甲类中，表层的牙本质和类釉质位于更深层的甲质（aspidin）之上。2018年的一项同步辐射断层成像研究将甲质鉴定为无细胞皮骨，并认为其微观空隙是原先胶原纤维束所在的位置，而不是容纳细胞或细胞突起的腔隙。因此，早期甲胄是由不同组织构成的复合结构，并非全部由骨组成。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）

水生动物骨骼的适应并不都沿着骨变得更轻这一条路径发展。骨致密程度的增加称为骨硬化，可在浅水动物中充当压载，抵消肺产生的浮力。骨内腔隙可能被新增的骨组织填充，骨吸收可能减少，钙化软骨也可能持续保留。骨肥厚，即骨外部厚度增加，可与这种内部致密化同时发生。相反，一些在开放水域活跃游泳的动物，其骨量减少，内部结构也更为多孔。2016年对*幻龙属（Nothosaurus）*肱骨的一项研究发现，这一三叠纪海生爬行动物类群中既有致密的骨，也有骨壁异常薄的个体。这些差异说明，不能仅凭“水生”这一属性就推断其栖息环境和游泳行为。（journals.plos.org）

在陆地上，骨骼的支撑能力不仅取决于骨的尺寸，也取决于姿态。安德鲁·A. 比韦纳于1983年开展的一项比较研究，测量了32种哺乳动物的长骨，这些动物的体重范围约为0.020至3,500千克。骨的长度和直径随体型的变化接近几何相似关系；若仅考虑这一关系，就会预测骨所承受的应力随体型增大而增加。他随后于1989年发表的分析表明，较大型哺乳动物的四肢更加直立，与地面反作用力的方向更为一致，从而减小关节力矩，以及抵抗这些力矩所需的肌肉力。因此，实测的骨峰值应力在不同体型之间总体上保持相近，据报告，防止骨失效的安全系数约为2至4。由此可见，支撑庞大身体依赖于力学杠杆关系的改变，而不只是骨按比例变得更粗。（pubmed.ncbi.nlm.nih.gov）

飞行体现了结构改造与祖传解剖特征的另一种结合。在许多鸟类中，呼吸系统的憩室伸入某些骨内，形成充满空气的腔室，这就是骨骼气腔化。气腔化程度随体型和生态习性而变化，专门适应潜水的鸟类往往气腔化程度较低。非鸟兽脚类恐龙、翼龙和蜥脚形类恐龙的颅后骨骼中也存在充气的骨，因此，不能仅用对鸟类飞行的适应来解释其起源。在蜥脚类恐龙中，气腔化的颈椎使起支撑作用的骨组织分布在内部腔室周围，同时限制颈部质量；这种结构为超长颈部在力学上的可行性作出了贡献。（pubmed.ncbi.nlm.nih.gov）

共同的骨骼构型通过同调为共同祖先提供证据，而不仅仅体现功能上的相似。2006年，尼尔·舒宾、爱德华·戴施勒和法里什·詹金斯描述了*玫瑰提塔利克鱼（Tiktaalik roseae）*的胸鳍，其中包括肱骨、桡骨、尺骨，以及扩展的远端骨骼；其关节使动物能够采取由底质支撑身体的姿势。这种过渡性构型将四足动物的四肢与既有的鱼鳍结构联系起来，但并不要求这种动物已经能够在干燥陆地上行走。关于骨最早功能的证据则较为间接。2021年的一项研究在化石骨细胞腔隙周围发现了低密度区域，与动物生前发生过矿物质移除的解释相符，支持了磷的动员利用促进有骨细胞骨演化的假说。该假说涉及骨细胞的出现，并不能说明最早的、原本就不含骨细胞的骨为何起源。（nature.com）

研究史与骨骼遗存提供的证据

18世纪的实验确立了这样一个认识：生长中的骨通过局部沉积与吸收发生变化，而不是均匀地扩张。亨利－路易·迪阿梅尔·迪蒙索于1739—1743年发表的研究使用了喂食茜草的动物：新沉积的骨会染成红色，从而能够区分先后形成的各层骨组织。放置在生长中骨干内的标记，即使在骨伸长时也保持着相同的间距，说明骨的纵向生长发生在靠近两端的位置。约翰·亨特进一步开展了这些实验；他在1764年对幼猪的观察，有助于证明骨沉积与骨吸收共同维持着生长中股骨颈的形态。1842年，玛丽－让－皮埃尔·弗卢朗证实了骨在两端生长，并表明两端对生长的贡献不一定相等。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）

显微镜使生长软骨和组织层面的变化得以被研究。弗里德里希·米舍尔于1836年描述了生长软骨，阿尔伯特·克利克1873年的研究则记录了骨吸收及其对骨骼形态变化的作用。力学解释与这些显微研究同步发展：赫尔曼·冯·迈耶于1867年描述了骨小梁结构，并与工程师卡尔·库尔曼共同加以阐释，这影响了尤利乌斯·沃尔夫1892年关于骨骼在功能需求下发生形态转变的论著。这些早期理论提出时，本词条其他部分讨论的细胞层面解释尚未形成。此后，影像技术使检查对象不再局限于解剖标本：1896年1月23日，威廉·伦琴公开为克利克的手拍摄了X射线影像，展示了无需解剖完整身体就能看到其中骨骼的可能性。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）

在古生物学中，骨的微观结构能够提供仅凭外部形态无法获得的生长证据。2022年一项针对三叠纪恐龙腔骨龙（Coelophysis）的研究，识别出了记录生长减缓的环带，以及记录生长暂时停止的生长停滞线；部分标记并未连续环绕整块骨，因此不能简单地通过数环来解释。如今，计算机断层扫描无需实际切片，就能获取部分此类证据。2023年，日本SPring-8的一项同步辐射研究以约4微米的体素尺寸检查了宽约3厘米的恐龙骨骼，分辨出了血管管道、次级骨单位和生长线。不过，骨细胞陷窝仍无法被分辨，说明无损成像仍存在与观察尺度有关的限制。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）

在考古学和法医人类学中，骨骼发育、骨盆形态和病理变化可用于推断年龄、性别及个体生平的某些方面。愈合的骨折记录了个体受伤后仍然存活的事实，而骨骼创伤则必须结合遗骸发现与提取时的情况及其他证据加以解释。骨的化学组成提供了另一条研究途径：2020年一项针对伯利兹人类遗骸的研究，通过测量碳和氮的同位素，区分了早期以森林食物资源为主的饮食，与距今约4,700至4,000个校正年间对玉米依赖程度日益增加的饮食。与未成年人的年龄评估相比，成年人的年龄估计与发育时间表的联系没有那么直接；参考样本的年龄分布和人群差异都会影响其准确性，因此估计出的年龄范围并不等同于已知的实际年龄。（naturalhistory.si.edu）

保存状况和取样方式限制了群体层面的解释。丧葬习俗、不同骨骼部位保存下来的概率差异，以及发掘覆盖范围，都会影响哪些个体被纳入考古样本，婴儿尤其如此。埋葬后的化学变化也可能改变骨矿物质的同位素特征：一项针对萨巴岛某个体的研究表明，骨与牙齿中的锶同位素数值一致，并不一定能独立证明此人曾居住于当地。1992年提出的“骨考古学悖论”指出了另一项困难：墓地中的人群由死者组成，并不是对生者群体的无偏抽样。可见的病变可能说明个体存活了足够长的时间，使骨组织得以产生反应；而没有病变，也不一定意味着健康状况良好。（pmc.ncbi.nlm.nih.gov）

对人类遗骸的研究还须遵守机构的伦理学规范，以及各司法管辖区关于授权、同意、接触与归还的具体要求。在美国，国家公园管理局有关《美国原住民墓葬保护与归还法》的指南规定，博物馆或联邦机构在允许他人接触或研究该法涵盖的人类遗骸及相关随葬物品之前，必须获得同意。其对研究的定义不仅包括破坏性取样，也包括骨学检查和其他产生新信息的活动。史密森学会的政策还限制人类遗骸的出借，仅在符合特定同意条件或法医咨询条件的情况下才予以允许。（nps.gov）

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