第三章骨与软骨损伤的修复

第三章骨与软骨损伤的修复第一节骨与软骨的胚胎发生胚胎在宫内最初几周，通过囊胚期和原肠胚期，逐步产生雏形，发生头、躯干和形成肢芽的外隆突。在外胚层和内胚层之间，有一层弥散疏松的细胞组织，称为间充质或间叶，间充质逐步分化为骨、软骨、筋膜和肌肉等多个结缔组织构造。间充质细胞密集的部位将是最早形成肌肉与骨骼构造的部位。每个密集的间充质雏形将直接或间接地转化为骨。在胚胎早期，有些肌肉与骨骼单位的发生相称活跃，在这个节段，胚胎发育易受外毒素的影响，例如某些先天畸形，可能与在这个时期受病毒的感染等有关。发生和生长是同时进行的，能够通过下列几个方式完毕：①结缔组织细胞分化或调节形成骨骼生成雏型(有多个作用的间充质和骨祖细胞)；②已分化的软骨生成和骨生成成分的有丝分裂(即成软骨细胞和成骨细胞)；③增加细胞外构造蛋白的合成(如骨样和软骨样组织)；④增加细胞内水的摄取，随着着细胞内和细胞外之间水的流动；⑤在软骨膜和骨样期，增加细胞外基质形成量；⑥细胞坏死的机理尚未完全明了，但是有充足的证据表明，某些细胞确实发生死亡，而后被其它类型的细胞所替代，骨骺与干骺端交界处原发性松质骨的形成即是如此。一、软骨的发生(DevelopmentofCartilage)早在第5胚胎周，间充质细胞逐步增大，变得更为密集，并分化为一层细胞，称为软骨前体(precartilage)，然后，基质沉积于细胞之间。同时，在中心间充质，纤维粘连素(fibronectin)程序化分布，并出现I型和Ⅲ型胶原。当成软骨细胞形成后，纤维粘连素逐步消失，Ⅱ型胶原出现。在间充质细胞分化表型前，透明质酸酶活性明显增高，透明质酸变化了细胞外的环境，使其在软骨生成前的细胞密集过程中含有重要的作用。随着Ⅱ型胶原以及软骨特异的蛋白多糖(proteoglycan)的生成，能够观察到胚胎软骨细胞合成的蛋白多糖比成熟软骨细胞合成的蛋白多糖含有更多的硫酸软骨素链和较少的硫酸角质蛋白(keratansulfate)链。二、骨的发生(DevelopmentofBone)(一)软骨化骨发生在肢体中，在封闭的软骨雏形中，通过外加作用以及营养的变化，由软骨膜形成的袖状骨缓慢生长。软骨钙化，构成细胞死亡，其后外周血管及成骨前体细胞(osteoprogenitorcells)侵入，形成原发性骨化中心。在大多数长骨中，这种变化先发生于骨干，然后向干骺端扩展。在全部的肢体骨中，原发性骨化中心在第12胚胎周出现。后来，骺部血管组织间接地骨化，形成继发性骨化中心。在股骨远端和胫骨近端，继发性骨化中心出现于孕9月至出生前，其它大部分继发性骨化中心均于出生后才开始形成。骺与骨干交界处称为生长板，在原发和继发性骨化中心之间生长，含有较快的横向和纵向生长能力。最先形成的软骨雏形逐步被骨化组织替代，称为软骨内骨化。(二)膜化骨发生在颅骨、面骨、部分锁骨及下颌骨，间充质聚集并血管化，同时直接形成成骨细胞成骨，不通过软骨阶段。膜化骨发生开始于胚胎终期，直至生后通过外加而成成熟骨组织，期间没有软骨细胞增殖层出现。某些中轴骨和四肢骨的成分也与膜内化骨有关，骨干和干骺端皮质骨来自内衬软骨雏形的特殊间充质组织(即骨膜)。第二节软骨的组织学软骨由软骨组织及其周边的软骨膜构成，软骨组织由软骨细胞、基质及纤维构成。根据软骨组织内所含纤维成分的不同，可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨三种，其中以透明软骨的分布较广，构造也较典型。一、透明软骨(HyalineCartilage)透明软骨间质内仅含少量胶原原纤维，基质较丰富，新鲜时呈半透明状。重要分布于关节软骨、肋软骨等。(一)软骨细胞软骨细胞位于软骨基质内的软骨陷窝中。在陷窝的周边，有一层染色深的基质，称软骨囊。软骨细胞在软骨内的分布有一定的规律性，靠近软骨膜的软骨细胞较幼稚，体积较小，呈扁圆形，单个分布。当软骨生长时，细胞渐向软骨的深部移动，并含有较明显的软骨囊，细胞在囊内进行分裂，逐步形成有2～8个细胞的细胞群，称为同源细胞群。由于软骨细胞不停产生新的软骨基质，各个细胞均分别围以软骨囊。软骨细胞核椭圆形，细胞质弱嗜碱性，生活时充满软骨陷窝内。在HE切片中，因胞质的收缩，胞体变为不规则形，使软骨囊和细胞之间出现空隙(图3-1)。软骨细胞的超微构造特点为胞质内含有丰富的粗面内质网和发达的高尔基复合体，还含有某些糖原和脂滴，线粒体较少(图3-2)。软骨细胞重要以糖酵解的方式获得能量。(二)基质透明软骨基质的化学构成重要为大分子的软骨粘蛋白，其重要成分是酸性糖胺多糖(glycosaminoglycan)。软骨粘蛋白的主干是长链的透明质酸分子，其上结合了许多蛋白质链，蛋白质链上又结合了许多硫酸软骨素和硫酸角质蛋白链，故染色呈碱性。这种羽状分支的大分子结合着大量的水，大分子之间又互相结合构成分子筛，并和胶原原纤维结合在一起形成固态的构造。软骨内无血管，但由于软骨基质内富含水分(约占软骨基质的75%)，营养物质易于渗入，故软骨深层的软骨细胞仍能获得必需的营养。(三)纤维透明软骨中无胶原纤维，但有许多细小的无明显横纹的胶原原纤维，纤维排列不整洁。胶原约占软骨有机成分的40%，软骨囊含胶原少而含有较多的硫酸软骨素，故嗜碱性强。含胶原多的部分嗜碱性削弱，或呈现弱嗜酸性。二、纤维软骨(FibrousCartilage)纤维软骨分布于椎间盘、关节盘及耻骨联合等处。基质内富含胶原纤维束，呈平行或交错排列。软骨细胞较小而少，成行排列于胶原纤维束之间(图3-3)。HE染色切片中，纤维被染成红色，故不易见到软骨基质，仅在软骨细胞周边可见深染的软骨囊及少量淡染的嗜碱性基质。三、弹性软骨(ElasticCartilage)弹性软骨分布于耳廓及会厌等处。构造类似透明软骨，仅在间质中含有大量交错成网的弹性纤维，纤维在软骨中部较密集，周边部较稀少(图3-4)。这种软骨含有良好的弹性。四、软骨膜(Perichondrium)除关节面的软骨表面以外，软骨的周边均覆有一层较致密的结缔组织，即软骨膜。其外层纤维较致密，重要为保护作用；内层较疏松，富含细胞、神经及某些小血管。在紧贴软骨处的软骨膜内尚有一种能形成骨或软骨的幼稚细胞(干细胞)，呈梭形，可增殖分化为软骨细胞。软骨膜能保护及营养软骨，同时对软骨的生长有重要作用。五、软骨的生长方式(GrowthPatternofCartilage)(一)内积生长内积长生又称膨胀式生长，是通过软骨内软骨细胞的长大和分裂增殖，进而继续不停地产生基质和胶原，使软骨从内部生长增大。(二)外加生长外加生长又称软骨膜附加生长，是通过软骨膜内层的骨祖细胞向软骨表面不停添加新的软骨细胞，产生基质和纤维，使软骨从表面对外扩大。第三节关节软骨的构造、功效和修复一、关节软骨的发育(DevelopmentofArticularCartilage)未成熟的关节软骨含有两层成软骨细胞增殖区以满足生长的需要。近关节面的浅层增殖区扩大关节软骨范畴，而深层的增殖区则以软骨内成骨方式形成继发性骨化中心的骨核。出生后第1年，当关节软骨厚度达成一定程度后，浅层的增殖区即停止增殖，只有深层的增殖区继续进行细胞分裂，增进生长。骨骼成熟后来，软骨内骨化性生长随之停止，而在关节软骨下形成一骨板。正常状况下，极少有软骨细胞的生长与复制。而只有在异常状况下，如创伤、骨关节炎以及肢端肥大症等，可见到反映性细胞复制。软骨成熟的标志是潮线(tidemark)的出现。钙化软骨区的矿化缘与未钙化的关节软骨则以潮线为界。潮线上间断存在有小的间隙。潮线的复制表明矿化缘向未钙化区推动。这种现象与年纪有关。也见于原纤维性软骨(fibrillatedcartilage)。于此同时，软骨内骨化，致使骨软骨接界不停改建。而此改建的进行有赖于钙化缘区域细胞内的钙磷脂复合体、糖蛋白(glucoprotein)以及细胞外基质颗粒。潮线区域内蛋白多糖的变化阐明其在此过程中含有调节作用。部分软骨细胞亦含有此调节作用，控制基质的合成与降解。(一)构造自关节面对深部，关节软骨可分为浅表区(superficialzone)、中间区或过渡区(transitionalzone)、深区或辐射区(deepzoneorradialzone)以及钙化软骨区(zoneofcalcifiedcartilage)(图3-5)。1.浅表区：厚约40μm，可从关节软骨上剥离，其内的梭形细胞与关节面平行排列，每个细胞被周边基质包绕。此层内的胶原纤维与更深层内的胶原纤维排列方式不同，呈切线位。这些纤维含有孔隙状构造，能够摄入滑液分子，排出蛋白质以及透明质酸等较大的分子。浅表区蛋白多糖的分布亦与其它层不同，每一核心蛋白上附着的糖胺多糖比较少，且部分蛋白多糖与细胶原纤维交错成网，难以分离，可能与抗剪力有关。2.中间区或过渡区：距关节面下约500μm，此区内细胞代谢较浅表区内活跃，均含有细胞内构造，如内质网、线粒体和高尔基复合体。基质内的胶原纤维粗大，与关节面呈斜形排列，该层内的蛋白多糖也较易分离。3.深区或辐射区：为关节软骨最厚的部分，软骨细胞呈柱状排列，胶原纤维垂直排列，部分穿过潮线及钙化软骨达软骨下骨层，使关节软骨牢固地附着在骨上。胶原与蛋白多糖紧密相联，但也有许多单体存在，难以检测到连接蛋白的存在。在透明质酸支架上有大量的蛋白多糖聚合物存在。此区内胶原纤维直径最粗，可能与它们需要抵抗蛋白多糖膨胀性的压力有关。4.钙化软骨区：位潮线深面，将透明软骨与软骨下骨组织隔开，在骨骼成熟之前，此区内的软骨细胞退变，软骨内骨化。骨骼成熟后来，基质钙化，可见无RNA合成能力的小软骨细胞。关节软骨分层排列反映了关节软骨功效适应的生物力学变化。浅表层重要以剪力为主；过渡区和辐射区则重要承受压力载荷；钙化软骨将关节面附着于骨上。即使光镜下关节面平滑，但扫描电镜观察显示，其表面与高尔夫球之表面相似，有许多间隔大概为300μm，直径为8～15μm的凹陷。也有研究认为此种凹陷实为赝象，正常的关节软骨表面可能很平滑，其波状起伏的嵴与凹陷可能与标本固定前的脱水有关。体育锻炼并不能变化关节软骨的表面解剖，扫描电镜也证明，未超出负荷峰值的过分活动也不引发关节表面软骨的退行性变化。(二)关节软骨的细胞成分软骨不含神经纤维、血管及淋巴管。软骨细胞占软骨组织的5%或更少，由未分化的间充质细胞分化而来。成熟软骨细胞的形态因分布的位置及软骨陷窝的不同而呈现或扁或圆，细胞核呈偏心性，其超微构造因细胞位置及活性的不同而各异。过渡区内的细胞核为单个或多个分叶状核，高尔基复合体发达，内质网及线粒体发育良好，而浅层的细胞内质网则较少。深层细胞内含有与细胞退变有关的胞质内纤维。(三)关节软骨的基质基质由密集分布排列的胶原纤维、蛋白多糖、结合水和阳离子等构成。胶原纤维约占关节软骨干重的50%，重要提供抗张强度。蛋白多糖则起固化及抗压作用。两者互相作用，稳定关节软骨基质并结合水。基质水为嗜水性蛋白多糖聚合体所吸引，并呈压力依赖性流动。基质水的重要作用是抗压、恢复受损软骨的正常形态以及保持润滑。绝大部分胶原纤维为Ⅱ型胶原，但也有Ⅲ型及其它型胶原的存在。Ⅱ型胶原水化后膨胀可能与其比I型胶原含有更多的碳水化合物有关。小牛血清培养的软骨细胞合成Ⅱ型胶原，但加入纤维粘连素后，软骨细胞表型类似成纤维细胞，并合成I型胶原。软骨粘连素(chondronectin)是一种细胞表面有关的、分子量为140千单位(kilounit,KU)的糖蛋白，在蛋白多糖的协助下，使软骨细胞与Ⅱ型胶原粘连。炎症状况下，如风湿性关节炎，血管翳的侵入造成血管源性Ⅲ型胶原和内皮细胞基底膜源性Ⅳ型胶原的合成。蛋白多糖约占关节软骨基质干重的40%。蛋白多糖的核心蛋白在粗面内质网内合成，但糖胺多糖在滑面内质网内合成。而糖胺多糖的硫酸化并与核心蛋白结合则发生在高尔基复合体，由大的高尔基分泌颗粒分泌入基质。蛋白多糖的浓度与胶原的浓度成反比，即蛋白多糖浓度随关节软骨深度的增加而升高。硫酸软骨素的浓度也随深度的增加而升高，在辐射区达峰值。压力可使硫酸软骨素链聚集，以对抗更进一步的压力，同时组织液也被挤出其分子域。随着年纪的增加，硫酸角质蛋白含量增加，而硫酸软骨素的含量减少，关节软骨内水分由75%下降至65%。在特定条件下，蛋白多糖单体可与胶原结合，一种蛋白多糖分子可结合多达30个胶原分子。糖胺多糖及蛋白多糖可能通过静电力与Ⅱ型胶原互相作用，而定向胶原纤维的排列。另外，细胞表面的蛋白多糖与纤维粘连素互相作用，为蛋白多糖和胶原也提供了作用点。(四)基质降解关节软骨内基质合成与基质降解同时存在，但其细胞调控机理尚不明了。Thompson和Robinson推算，成人软骨内的基质糖胺多糖每年更新二分之一，而胶原基质每才干替代二分之一。全部降解酶，除透明质酸酶存在于滑膜外，均存在于关节软骨内。对每个细胞的降解与合成之间关系尚知之甚少。软骨细胞内含有组织蛋白酶(cathepsin)B、D及F。组织蛋白酶B在中性条件下含有活性，组织蛋白酶D只有在pH4.50～5.00时才含有活性，因此，在软骨中，组织蛋白酶B比组织蛋白酶D更重要。每个软骨细胞的软骨陷窝内含有新合成的基质成分，并有组织蛋白酶D存在，可能此处的pH值偏酸性。组织蛋白酶D不能降解胶原，但可分解蛋白多糖的多肽支架，而被其它酶降解。基质细胞合成与降解蛋白多糖的速度比胶原的快。胶原酶由成纤维细胞、滑膜细胞和软骨细胞合成与释放，但普通需要其它因素的激活(如纤维蛋白溶酶)。胶原酶在中性环境下破坏三螺旋构造。新合成的尚未交联的胶原对胶原酶比已交联的胶原更敏感。老化、分子间交联严重的软骨对这些酶的降解更具抗性。有些胶原溶解蛋白酶，如多核白细胞产生的酶类，不能破坏胶原的三螺旋构造，但它们能降解非螺旋的末端肽(如丝氨酸蛋白酶、组织蛋白酶G及弹性硬蛋白酶)。这些酶在滑液中并不存在。滑膜表面的A型细胞或B型细胞的溶酶体在病理状态下可释放蛋白酶、胶原酶和透明质酸酶，造成关节软骨的降解。软骨以外的其它组织有可能分泌刺激软骨细胞降解蛋白多糖和胶原的信使——分解代谢产物(catabolin)。这些蛋白或蛋白家族并不直接作用于软骨基质，只有活的软骨才可受累。巨噬细胞和单核细胞可产生分解代谢产物样物质，如果在巨噬细胞培养基中加入脂多糖类(lipopolysaccharides)则明显增加这些因子的生成。二、关节软骨的特性(PropertiesofArticularCartilage)关节软骨内的液体运输与其物理特性有关。基质蛋白多糖富含负电荷的硫酸酯及羧基，这些使水性基质含有膨胀性压力。使关节软骨含有粘弹性的间质内液体流是软骨渗入性功效及蛋白多糖固定电荷集团的体现。蛋白多糖制止水从负重软骨表面孔隙中流失，对水流失的制止能力与其浓度有关，蛋白多糖浓度减少，关节软骨蠕变率增加，抗压强度减少，使软骨负重后容易变形。受压后，蛋白多糖构型发生变化，使蛋白多糖内的分子水流入胶原纤维的纤维间隙或从表面丢失。pH值减少或增加盐浓度也可破坏蛋白多糖的构造，使水流失。蛋白多糖大分子构造破坏后，使胶原纤维的张力减少，并向外膨胀，使分子间隙增大。当胶原纤维肿胀时，水分子更易于分子间流动，使关节软骨内可交换的游离水增加。休息时，关节软骨内的胶原纤维网处在张应变(tensilestrain)状态。(一)滑膜关节的润滑作用限制关节运动的重要因素是关节面之间的磨擦以及关节周边软组织的张力，Radin等的研究表明，克服关节周边软组织牵拉所需的能量是关节面间磨擦阻力的100倍，那么，关节僵硬的重要因素应当是软组织张力的增加(肌肉痉挛、韧带挛缩或软骨间粘连)，而不是关节面润滑作用的变化。典型的润滑理论基于非生物学系统：两个受压接触面之间的不平整引发磨擦与损耗。产生的磨擦系数与接触点的剪力强度有关。两粗糙面间的液体通过两种方式减少磨擦系数：①液体膜润滑作用，即于两粗糙面间产生一薄而持续的液体膜，而液体膜可能通过外部压力(静水润滑作用)、内积液体产生的压力(挤压膜润滑作用)以及持续的相对运动使接触面间楔状润滑作用(动水润滑作用)来维持；②边界润滑作用，即两接触面表面吸附一层能够避免粗糙接触的分子，这些分子的自然特性是分子间的滑动比磨切粗糙吸附面更容易。在大多数润滑之表面，两种机理并存的程度重要有赖于接触面间的角度及速度。弹性动水润滑作用则是负重后变形、粗糙面间的液体膜被挤出后的另一润滑机理。不同实验条件下，对生物系统——关节润滑的研究尚未得到一种能够解释低磨擦系数的理论。关节面与非生物接触面不同，湿润含有粘弹性，并有不持续的多平面的滑动面。对滑液在关节内的润滑功效研究者众说不一。正常无炎症反映的人膝关节内滑液量不超出0.50ml。滑液膜层因负重而有所变化，膜层越厚，滑液膜粘性减少磨擦系数的能力也越大。关节软骨受压后，将间质内的液体挤入关节表面，产生一种自压形式的静水润滑作用。滑液中透明质酸的含量直接影响它的粘性，但对关节润滑影响甚小。即使已证明透明质酸是滑膜的润滑剂，但它不是关节的润滑剂。当液体聚集于接触面的凹陷内后来，也增加了润滑分子的浓度。Radin,Swann等用透明质酸酶消化滑液，即使变化了粘性，但并未影响磨擦系数，阐明磨擦系数不是单纯透明质酸酶浓度的体现，但蛋白溶解消化，确实明显减少了润滑作用。Swann等发现了一种糖蛋白，称之为润滑素(lubricin)，认为是关节润滑的一种重要因素。在牛和人的正常及病理状态下滑液内均发现有此糖蛋白，它与关节软骨表面结合，起边界润滑剂的作用。显然在游离的和与关节软骨结合的润滑素分子之间存在有一种动态平衡，蛋白溶解消化滑液以及机械性去除均破坏了润滑作用。(二)关节软骨的修复关节软骨损伤的修复与其组织构造特点及损伤的方式有关，而修复的持久性以及良好的负重关节面的维持则有赖于愈合组织的质量，但事实上，修复常不完善，使损伤的关节面后期发生退行性变化。表浅损伤的修复愈合依赖于关节软骨细胞的代谢活性，但其精确重建构造的能力有限，即使关节软骨细胞能够合成蛋白多糖和胶原分子，并能够释放入基质，这些新合成的分子并未互相结合形成络合物，因此构建的构造并不完美，愈合组织的功效也较差。软骨无血供以及软骨细胞不能复制限制了其修复的能力，修复过程也无炎性反映阶段。而活动关节的在体修复因糖蛋白的丢失或浅表性撕裂，使得存留外露的胶原纤维网遭到进一步的破坏。与之相对比，感染或创伤累及深部骨组织，使炎性反映产物及间充质细胞外渗，其修复机理又有所不同。最后，所生成的软骨基质的种类及数量决定功效修复与否完全。软骨细胞复制比较局限，但其对修复过程的作用尚不清晰。在退行性关节病中可见软骨细胞群增殖克隆合成糖胺多糖。这些增殖的软骨细胞可能含有在修复过程中消化细胞周边基质的活性，也可能参加新产物的合成。并有炎性变化的软骨破坏中，从关节内分离出多个炎性介质及蛋白酶。前列腺素E2(ProstaglandinE2,PGE2)变化炎性过程，克制软骨细胞(兔)合成糖胺多糖；人退行性关节中分离出的白细胞介素1(interleukin-1，IL-1)含有化学趋化及淋巴细胞激活作用，并刺激软骨细胞释放中性蛋白酶；在骨性关节炎中也存在有淋巴细胞激活因子、单核细胞因子及分解代谢产物等。这些因子并无内在的降解活性，但可激活软骨细胞酶。其它某些诱发骨关节炎软骨病理变化的因素涉及关节内羟基磷灰石及焦磷酸钙结晶的沉积。化脓性关节炎中，细菌毒素可能参加了软骨的破坏。而风湿性疾病受累关节中90%的造成破坏性变化的软骨胶原组织内发现有免疫球蛋白、补体以及免疫复合物存在。血友病中，软骨细胞内以及软骨下骨髓内有含铁血黄素存在。外渗红细胞被滑膜表皮细胞吞噬，释放破坏关节软骨的酶，另外，高铁离子对软骨可能有直接毒性作用。(三)机械创伤后修复关节的钝性损伤较常见，体外低于20%的应变对关节软骨没有任何显微性破坏。长久重复性的负重可造成在体软骨基质裂解，细胞破坏，最后软骨下骨增厚。离体髋关节重复性负重可引发负重区蛋白多糖基质含量下降，软骨细胞合成活性增加。细胞死亡与胶原纤维裂解随负重频率及负重幅度的变化而变化。超出临界值的单次冲击伤或多次大幅度但不大于临界值的钝性损伤即可造成软骨不可逆性损害，小负荷冲击伤使基质降解，但无软骨细胞坏死，其修复过程重要特性是基质蛋白合成增加，但仅限于紧邻软骨细胞群，不涉及炎性反映或介质的生成以及未分化的成纤维细胞成分。撕裂伤破坏了胶原纤维网，使胶原纤维暴露于降解酶类，并有可能使局部细胞死亡。缺损区普通不愈合，但也不扩大。许多动物实验研究发现受损部位软骨细胞群状增殖，基质合成增加，在伤后6周最为活跃，但很快，即停止，使修复过程不完全。Ghadially等在超微构造水平对切线伤的愈合过程观察两年之久发现，损伤后1周，光镜下局部细胞坏死，邻近蛋白多糖丢失。存活软骨细胞的透射电镜观察表明代谢活性增加。伤后6月，缺损区覆盖一层细胶原纤维网，其排列方向与表面平行，但表面的不平整仍然存在。Mankin等认为受损软骨的基质蛋白多糖克制血小板的附着及纤维网架的形成，使成纤维细胞不能桥接间隙。在实验中，关节内注射蛋白多糖溶解酶可增进动物关节软骨表浅撕裂伤的愈合，水杨酸盐也可增进浅表缺损的愈合。深达软骨下骨质的损伤引发血肿形成及纤维蛋白凝集，在修复过程中起网架作用。与浅表损伤不同的是，骨软骨损伤能够软骨组织愈合，但其性质(纤维软骨或透明软骨)以及软骨下肉芽组织(外源性转化细胞)和软骨细胞的作用现在意见尚不一致。Depalma的研究发现，未成熟狗由软骨下肉芽组织演变而来的透明软骨修复全层软骨缺损。Campbell认为，在修复早期，胶原纤维的走行与分布与纤维组织相似，重要细胞与成纤维细胞类似，大部分胶原为I型胶原，仅有少量的Ⅱ型胶原，三个月后，则以Ⅱ型胶原为主。所形成的透明软骨不规则，并有部分基质区域缺少细胞，受损部位的组织切片也难以再现关节软骨的层状区域性分布。随着时间的延长，修复组织更似纤维软骨，并有退行性纤维化倾向。蛋白多糖的丢失可能随着着透明软骨逐步向纤维软骨的转化。成年兔股骨远端软骨内骨折复位不完全或复位后未加压，常以纤维软骨修复。复位完全，加压并行骨折块间固定，关节软骨表面的修复组织外观则与透明软骨相似。加压固定可能变化了关节面的机械微环境，促使透明软骨的形成，制止干扰浅表透明化的肉芽组织的长入。在负重的软骨能够统计到电位，关节软骨及生长板软骨显示电极化，生长活跃的部位更趋向于阴极。机械力有可能转化为软骨细胞或大分子敏感的生物电。Hall认为电磁与生长、形态发生及修复与再生过程有关。这也可能是加压固定后修复效果较好的因素。在兔子动物实验中，持续被动活动增进透明软骨修复关节软骨全层缺损，而完全制动及间断性主动活动对照组则较差。持续被动活动能够增进关节内自体骨膜游离移植的新生软骨形成。关节制动破坏了实验动物的关节软骨，即使制动不完全，6周后所产生的软骨显微性破坏在6～8月后仍然存在。而坚强的固定制动30d，即可引发30d后仍难以逆转的变化。制动破坏了基质及细胞所需的正常机械刺激，也使为软骨细胞提供营养的滑液泵作用失能。第四节骨组织学与组织病理学(一)骨的种类骨可分为密质骨和松质骨两种，密质骨见于长骨的骨干和扁平骨的表层，又称皮质骨。为内含许多互相连通的小管道及血管神经的规律排列的骨板。松质骨是由大量针状或片状的骨小梁互相连接而成的多孔网架构造，网孔中充满骨髓。骨小梁普遍顺最大应力和张力线排列。密质骨内胶原纤维围绕血管间隙而呈同心圆排列；松质骨内胶原纤维与骨小梁的纵轴平行排列。许多胶原纤维穿过板间区。这种排列无疑会增加骨对机械应力的抵抗。在成年人，这两种骨都含有板层状构造，故称为板层骨。在胚胎或幼儿，以及在成人某些病理状态，可出现编织骨(wovenbone)构造。编织骨是由不规则未机化的胶原类形和陷窝状构造的骨组织构成，其胶原纤维粗短，呈纵横交错的不规则排列。编织骨内的骨细胞较圆而大，细胞数目也较板层骨多，因而，编织骨比板层骨更处在活跃状态。在生长时期长骨的干骺端由编织骨构成，普通通过再吸取，最后被板层骨替代。如果在骨骼发育成熟后，编织骨持续存在或在成年期出现编织骨，都不是正常现象。(二)骨组织构造骨由不同排列方式的骨板构成，骨板自外向内可分为骨膜、外环骨板层(outercircumferentiallamellae)、哈佛系统(Haversiansystem)和内环骨板层(innercircumferentiallamellae)(图3-6)。1.骨膜：骨膜是由致密结缔组织构成的纤维膜，包被在骨表面，称骨外膜，衬附在骨髓腔面的则称骨内膜。(1)骨外膜：普通可分为两层：①纤维层：是最外的一层薄而致密，排列不规则的结缔组织，其中含有某些成纤维细胞。结缔组织中含有较粗大的胶原纤维束，彼此交错成网状，有血管和神经纤维束从中穿行，沿途有某些分支经深层进入伏克曼管(Volkmann'scanal)。有些粗大的胶原纤维束向内穿进骨质的外环层骨板，尚有大的营养血管穿过这些纤维进入骨内。②新生层(cambiumlayer)或成骨层(osteogeniclayer)：为骨外膜的内层，重要由多功效的扁平梭形细胞构成，粗大的胶原纤维极少，却含有较多的弹力纤维，形成一薄层弹力纤维网。内层与骨质紧密相连，并在构造上随年纪和机能活动而发生变化。在胚胎时期或幼年时期，骨骼快速生成，内层的细胞数量较多，甚为活跃，直接参加骨的生成。在成年期，骨外膜内层细胞呈稳定状态，变为梭形，与结缔组织中的成纤维细胞很难区别。当骨受损后，这些细胞又恢复造骨能力，变为典型的成骨细胞，参加新的骨质形成。在骨的生长久，骨外膜很容易剥离，但成年后的骨膜，与骨附着甚为牢固，不易剥离。(2)骨内膜(endosteum)：是一薄层含细胞的结缔组织，除衬附在骨髓腔面以外，也衬附在哈佛管内以及包在松质骨的骨小梁表面。骨内膜中的细胞也含有成骨和造血功效。成年后的骨内膜细胞呈不活跃状态，若遇有骨损伤时，可恢复造骨功效。2.外环骨板层：表面的骨板围绕骨干排列，称为外环骨板层，由数层骨板构成，其外和骨外膜紧密相连。在外环骨板层中可见与骨干相垂直的孔道，横向穿行于骨板层，称为伏克曼管。通过伏克曼管，营养血管进入骨内，和纵向走行的哈佛管内的血管相通。哈佛管经伏克曼管使其与骨面和髓腔相通。3.内环骨板层：靠近骨髓腔面也有数层骨板围绕骨干排列，称为内环骨板层。骨板层可因骨髓腔的凹凸面而排列不甚规则，骨板的最内层衬附有骨内膜，也可见有垂直穿行的伏克曼管。4.哈佛系统：在内外环骨板层之间是骨干密质骨的重要部分，由许多骨单位(osteon)构成。骨单位为厚壁的圆筒状构造，与骨干的长轴呈平行排列，中央有一条细管称哈佛管。围绕哈佛管有5～20层骨板呈同心圆排列，宛如层层套入的管鞘，哈佛管与其周边的骨板层共同构成骨单位，亦称作哈佛系统。CloptonHavers于1691年最早拟定了密质骨构造，并把密质骨的基本构造单位命名为哈佛系统。由于他当时没有叙述围绕血管呈同心圆排列的骨板，后来某些作者根据同心圆排列的骨板，又命名为骨单位。无数的骨小管(canaliculi)呈放射状，从哈佛管向骨陷窝走行，使哈佛管与陷窝相通。其功效是使陷窝内的骨细胞经骨小管获得营养液，同时将代谢产物排出。陷窝是扁形或椭圆形构造，其内壁有无数小裂隙，与骨小管相通，骨细胞的许多细长的突起，经裂隙伸入骨小管内。每一骨单位的表面有一层粘合质，呈强嗜碱性，含有大量的骨盐，但胶原极少。在横断面的骨磨片上呈折光较强的骨单位轮廓线，称为粘合线(cementingline)。在骨单位之间，充填着某些不完整的骨单位，形状不甚规则，大部分缺少哈佛管，称为间骨板(interstitiallamellae)，是部分吸取后的骨单位，也是旧有的骨单位遗迹。哈佛管的直径平均为300μm，大概3～5mm长，内壁衬附一层结缔组织，其中的细胞成分随着每一骨单位的活动状态而各有不同，在新生的骨质内多为成骨细胞，被破坏的骨单位则有破骨细胞。普通的骨单位为梭形细胞，许多较早期的骨单位，特别是新生儿的皮质骨，缺少环形排列的同心圆骨板层。骨沉积在骨外膜或骨内膜沟的表面形成的骨单位，或在松质骨格内形成的骨单位，称为原发性骨单位(primaryosteon)。哈佛管被易变的延长了的同心圆骨板柱围绕，仅有几层骨板。原发性骨单位常见于幼骨，特别是胚胎骨和婴儿骨。随着年纪增加，原发性骨单位也对应减少。继发性骨单位(secondaryosteon)与原发性骨单位相似，但是由原发性骨单位改建后形成。继发性骨单位，又称继发性哈佛系统，由于有一粘合线，很容易识别，并使其与邻近的矿质化组织分开来。哈佛系统是成熟密质骨，有成人密质骨的明显特性。在初生时，仅在人骨的股骨中段出现，后来在全部长骨逐步形成。即使呈纵向走行，但常有许多分支互相间形成广泛吻合。哈佛管内有小血管，仅有单条的大都为毛细血管，有时可见到两条，为小动脉或小静脉。伏克曼管与哈佛管走向互相垂直，并彼此相通，因此，其中的血管也彼此交通。在哈佛管内还可见到细的神经纤维，与血管伴行，大都属于无髓神经纤维，但偶然可见到有髓神经纤维。这些神经重要由分布在骨外膜的神经纤维构成，从其粗细可表明，即含有节后交感神经纤维，也含有细的无髓痛觉传入纤维。密质骨的骨板厚度普通为5～7mm，但各部位的骨盐分布并不相似。在内外环骨板和间骨板内，骨盐含量很高，并且在各板层中分布一致。各骨单位的骨盐沉积程度并不完全相似，在同一骨单位中，各板层骨的骨盐分布也不一致。新生成骨单位的骨盐沉积较少，随着骨的生长，骨盐由中央哈佛管附近的骨板逐步向周边沉积，并且含量不停增多。老的骨单位含有较多的骨盐沉积。松质骨的骨小梁由骨板构成，但层次较薄，构造简朴，普通不显骨单位，在较厚的骨小梁中，也能看到小而不完整的骨单位。其中血管较细或缺失，骨板层之间也无血管，骨细胞的营养则依靠骨小梁表面的骨髓腔血供应。(三)骨的血液供应长骨的血液供应来自三个方面：①骨端、骨骺和干骺端的血管；②进入骨干的营养动脉(常有1～2条)；③骨膜的血管(图3-7，图3-8)。进入骨干的营养动脉分为两个大的分支，即升支和降支，每一支都有许多细小的分支，大部分直接进入皮质骨，另某些分支进入髓内血管窦。升支和降支的终末血管供应长骨两端的血运，并与骨髓和干骺端血管形成吻合。来源于髓内营养动脉的皮质小动脉，呈放射状直接进入皮质骨，或以2～6支小动脉为一束的形式进入皮质骨。在皮质骨内的小动脉，又形成许多分支，某些顺骨的长轴纵向延伸，而另某些呈放射状走行。这些血管分支，最后在哈佛系统形成毛细血管(图3-9)。有某些小动脉入皮质骨后又穿出皮质骨与骨膜的小动脉吻合，形成动脉网。在髓内，某些小动脉较短，形成骨髓的毛细血管，供应骨髓血运。哈佛管内经常会有管壁很薄的两条血管，一条较细，而另一条稍粗，表明较细的一条为动脉，而稍粗的一条为静脉，形成进出两个方向的血流。这些小血管壁由单层内皮细胞构成，在少数状况下，其中一条血管可显示小动脉的组织学特性，哈佛管内有时只含一条毛细血管。1.髓内营养系统:全部长骨，都有1～2条营养动脉经营养孔进入骨内，在营养孔内无分支，同时随着有几条血管壁较薄的小静脉和有髓神经。在髓内的营养动脉，不管是上行支还是下行支，是髓内重要的血供来源，最少能供应皮质骨的内2/3或更远的某些部位。髓内营养血管以放射状分布，形成髓内和皮质内毛细血管，大概30%的血液流至骨髓的毛细血管床，70%至皮质毛细血管床。骨髓和皮质骨的毛细血管床互不联系，血液回流也是分开的。进入骨髓血管窦的小动脉，来源于营养动脉的外侧支，同时尚有另外某些小动脉供应皮质骨的骨内膜。有些学者认为，骨干皮质骨的血供，完全由横向的髓内营养动脉支供应。另某些学者认为血运是分段供应，即营养动脉的分支供应皮质骨的内侧二分之一或2/3，剩余部分由骨膜血管供应。2.静脉回流：长骨含有一种较大的中央静脉窦，接受横向分布的静脉管道的血液，这些血液来自骨髓的毛细血管床(即血管窦)。横向管道内含有进入骨内膜的小动脉。这些静脉管道可将血液直接引流入中央静脉窦，也可先引流至大的静脉分支内，然后再汇入中央静脉窦，中央静脉窦进入骨干营养孔，作为营养静脉血引流出骨(图3-10)。长骨的静脉血，重要经骨膜静脉丛回流。仅有5%～10%的静脉血经营养静脉回流。许多静脉血经骨端的干骺端血管回流。骨端血管是骨膜静脉系统的一部分。从骨膜表面骨干皮质骨出现的内皮管(endothelialtube)，称作小静脉(venule)。尽管近来有人认为，皮质骨血液极少回流至内骨膜静脉，但体内研究表明，毛细血管离开哈佛管后有分支进入骨髓，并进入骨髓血管窦。3.血流：骨干皮质骨内的血流方向与范畴，仍有争议。一种理论是赞成血液离心性流动，认为血液先从骨髓营养系统进入骨内膜面，然后流出骨外膜。倘若骨髓营养系统中断，骨外膜系统仍保存，可提供血液供应，此时血流方向变为向心性流动，这种观点被微动脉造影研究证明。骨膜血管的作用尚未完全明了，普通认为，骨膜系统的血供重要来自周边肌肉，供应皮质骨的外1/3或外侧二分之一血运。尽管在解剖学上，骨膜血管与皮质骨血管都来源于骨髓血管，并且互相间有联系，但许多学者仍否认骨膜系统的供血多于皮质骨最低程度的供血。在皮质骨的外侧部分，在哈佛管内的许多管壁较薄的小血管仍能看到，与骨膜内的小动脉是相持续的。这是证明当髓内营养血管中断后，骨膜系统的血液流入整个皮质骨的基础，这是重要的辅助血供来源。长骨两端的血供，由周边小孔进入骨骺参加干骺端的血液供应。这些小动脉分支进入骺，形成动脉弓，产生一密集的交锁网状构造。这些小血管进入软骨下区时，血管口径进行性变小，形成终末小血管袢。骨干与干骺端小动脉和骨髓营养动脉的终末支形成吻合，供血占整个骨血运的20%～40%。进入骨骺的血管有两种，一种远离骨骺，经软组织直接进入骨骺，发生骨骺分离时此血管因远离骨骺，不易发生损伤。另一种是紧贴骺板边沿的关节软骨进入，此种血管靠骺太近，因而在骨骺分离时易遭损伤，引发骨骺或骺板缺血。发生缺血者多为关节内骨骺，例如，股骨头骨骺，肱骨内外髁骨骺和桡骨头骨骺等。由于进入骺板的小动脉分支紧靠软骨下区(即为软骨细胞静止区)，为软骨提供营养，因此骨骺血供障碍直接影响骺板软骨细胞的增殖能力，软骨基质不能钙化，肥大细胞堆积不能成骨，影响软骨内成骨的整个过程。正常骨皮质血管内的血流，通过一种尚未明确的调控机理的调节，变化较大。在正常的肢体，全部的血管并非同时开放发挥作用，而只是有限的部分血管参加血流的循环过程，另外某些血管处在“静止状态”。在某些状况下(如对侧肢体骨折)，大量的血管变为功效活跃状态，这一点经微动脉造影可得到证明。如果骨髓和骨膜的血循环中断，干骺端血循环会增加。如果经营养动脉的循环和干骺端血管中断，骨膜血管会发生增殖，使骨膜血流量增加，经常伴有骨膜新骨的形成。当营养动脉的血流中断时，大概内侧2/3的皮质骨缺血坏死，但外侧1/3皮质骨仍成活。相反，当骨膜被剥离仅与皮质骨附着，营养动脉完好，外侧1/3皮质骨发生缺血坏死，经常随着骨膜新骨的形成，新骨围绕骨干生长。当营养动脉受压(如应用髓内针时)，会发生代偿性的骨膜血管增殖，使较大范畴的皮质骨获得成活。当髓内营养动脉中断，骨膜从骨干剥离，会发生整个骨干的皮质骨坏死。在某些状况下，肢体较大的周边静脉血流会发生逆流和迂回至长骨的髓腔。当肢体重要静脉回流障碍，长骨髓内压上升。在急性静脉阻塞的状况下，静脉血流逆行流入股骨远端干骺端，从而能够证明侧支静脉回流经骨髓静脉管道建立。急性和慢性静脉栓塞时，会出现骨深部钝性疼痛或局部压痛等现象，抬高肢体后静脉血回流，疼痛即可减轻。(四)骨的构成成分骨与其它结缔组织基本相似，也由细胞、纤维和基质三种成分构成。但骨的最大特点是细胞基质含有大量的钙盐沉积，成为很坚硬的组织，构成身体的骨骼系统。1.细胞成分(1)成骨细胞：骨表面被一由成骨前体细胞形成的包膜所覆盖，体现为骨外膜、骨内膜和哈佛管内膜。这些细胞可分化为成骨细胞合成骨基质(图3-11)，除合成骨基质外，尚有一种引发骨质矿化和调节细胞外液和骨液(bonefluid)间电解质流动的作用。一种成骨细胞在3～4d内可分泌其三倍体积的基质，然后本身埋于其中，即变为骨细胞。成骨细胞常呈圆形、锥形和立方形，胞浆嗜碱性，嗜碱性与粗面内质网的核酸糖小体有关。成骨细胞伸出细短的突起，与相邻的细胞连接，胞核位细胞的一端，有明显的核仁，在核仁附近有一浅色区，高尔基复合体即在此区内，胞浆内有散在的线粒体。电镜下，活跃的成骨细胞胞浆基本上由粗面内质网占据，形成一被核酸糖小体附着的膜状管，游离核酸糖小体较易观察。粗面内质网正常状况下包绕高尔基复合体。嵌在粗面内质网之间的是线粒体，常呈圆形。某些线粒体含有某些小的矿质化颗粒，沉积并附着于线粒体嵴外面。这些颗粒有较高浓度的钙、磷和镁，还存在其它某些有机成分。线粒体在细胞内的能量循环中是氧化加磷氧基作用的部位，其后产生ATP。线粒体的第二个重要功效是从细胞浆中去除钙离子。线粒体的钙通过和磷的共同沉积，形成线粒体颗粒，使细胞浆内的钙水平调节在10-8～10-7mol/L的正常范畴内。骨的细胞常有大量的线粒体颗粒，可能是激素作用于细胞膜的成果。例如，甲状旁腺素(parathyroidhormone，PTH)能引发进入细胞的钙增加，并随之有线粒体颗粒数目的增加。邻近基质正在矿化的成骨细胞，其线粒体颗粒增加，而邻近完全矿化的基质区则较少。被严重破坏的细胞，显示出线粒体颗粒聚集而引发细胞的钙化。接受X线照射的靶细胞能够钙化，可能是因细胞膜破裂后线粒体过多所致。在某些细胞，钙是沿着嵴表面沉积，而不是分散在颗粒内。成骨细胞含有合成胶原、粘多糖和糖蛋白的作用，其细胞内合成过程与成纤维细胞或软骨细胞相似。成骨细胞胞浆内富含碱性磷酸酶，因此，血中碱性磷酸酶水平的升高可提示成骨细胞的活性。在Paget病中，用降钙素(calcitonin)治疗后血碱性磷酸酶水平下降表明治疗有效。如果5-核酸磷酸酶或γ-谷氨酰胺转移酶活性水平正常，则血碱性磷酸酶水平的升高可能是成骨细胞活性所致，而非肝碱性磷酸酶。血碱性磷酸酶水平也常在成骨性肿瘤及转移癌中有所升高。成骨细胞内含有腺苷酸环化酶(adenylatecyclase)及蛋白激酶系统，而成骨细胞又是甲状旁腺素的靶细胞，因此，这些酶系统有可能代表了甲状旁腺素的作用方式。甲状旁腺素与成骨细胞质膜上的受体结合，增进膜上的腺苷酸环化酶活性，使钙离子进入细胞内，并产生环化一磷酸腺苷(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。细胞内cAMP及钙离子水平的升高激发成骨细胞进一步的代谢活动。前列腺素E系列也可通过与成骨细胞样细胞的特异性结合而刺激cAMP的形成而影响成骨细胞功效。酸性肽钙调蛋白(calmodulin)有四个钙离子结合域，广泛存在于哺乳类动物的多个细胞内，分子量约为1700U，对酸及热稳定，可调节成骨细胞内的磷酸二酯酶、腺苷酸环化酶及部分膜激酶等许多酶的活性。(2)骨细胞：骨细胞是骨组织的重要细胞，包埋在坚硬的细胞基质腔隙中，此腔隙称作骨陷窝。骨细胞的胞体呈扁卵圆形，有许多细长的突起。这些细长的突起伸进骨陷窝周边的小管内，此小管又称作骨小管。突出物能使骨细胞保持在通道的骨内，便于骨与血液之间交换离子和营养。骨细胞胞核大都为卵圆形，着色略深，胞浆稍呈嗜碱性。Belanger发现骨细胞含有释放柠檬酸、乳酸、胶原酶和溶解酶的作用。溶解酶会引发骨细胞周边的骨蚀损(erosion)或吸取，他把这种现象称之为骨细胞性骨溶解(osteocyticosteolysis)。有些学者认为，骨细胞对骨吸取和骨形成都起作用。由于骨细胞是由成骨细胞转化而来，故新形成的骨细胞有许多活跃的成骨细胞特性，即含有丰富的粗面内质网，大的高尔基复合体，许多线粒体以及细胞体积较大和含有许多染色质的核。这种新形成的骨细胞容易认出，由于附在成骨细胞表面，普通在三面已完全矿质化的基质包裹期看到，而另一侧被密集的胶原包围，使新形成的结晶体分散沉积在基质中。骨细胞和成骨细胞同样，在甲状旁腺素和降钙素作用下，能变化电解质浓度，表明这些细胞有这类激素的受体。(3)破骨细胞：破骨细胞由多核巨细胞(multinucleargiantcell,MNGC)构成，直径100μm，含有2～50个核，重要分布在骨质表面、骨内血管通道周边。破骨细胞的数量较少，它是由多个单核细胞融合而成的，胞浆嗜碱性但随着细胞的老化，渐变为嗜酸性。破骨细胞含有特殊的吸取功效，某些局部炎症病灶吸取中，巨噬细胞也参加骨吸取过程。在破骨细胞吸取骨基质的有机物和矿质的过程中，造成基质表面不规则，形成近似细胞形状的陷窝，称为Howship陷窝。在陷窝内对着骨质的一面，细胞伸出许多毛样突起，很象上皮细胞表面的纵纹缘和刷毛缘。电镜下，贴近骨质的一侧有许多不规则的微绒毛，即细胞突起，称为皱褶缘(ruffledborder)。在皱褶缘区的周缘有一环形的胞质区，含多量微丝，但缺少其它细胞器，称为亮区(clearzone)，此处的细胞膜平整并紧贴在骨质的表面。亮区犹如一道以胞质构成的围墙，将所包围的区域形成一种微环境。破骨细胞向局部释放乳酸及柠檬酸等，在酸性条件下，骨内无机矿物质自皱褶缘吞饮，于皱褶缘基质内形成某些吞饮泡或吞噬泡。于破骨细胞内，无机质被降解，以钙离子的形式排入血流中。无机质的丢失使骨基质内的胶原纤维裸露，破骨细胞分泌多个溶酶体酶，特别是组织蛋白酶B和胶原溶解组织蛋白酶。破骨细胞离开骨表面后，其皱褶缘消失，细胞内发生变化，进入静止期。血中的单核细胞或组织中的吞噬细胞不能转变成破骨细胞，由于全部这些细胞仅含有成熟的、不能分裂的、晚期的单核吞噬细胞，只有早期未成熟的增殖性单核吞噬细胞才是破骨细胞的前体。2.骨基质：破骨细胞吸取骨产生吸取隧腔，随即被成骨细胞分泌的基质充填闭合。成人骨无机成分约占2/3，有机成分仅占1/3，胶原占有机物90%，非胶原占10%。(1)胶原：是一种结晶纤维蛋白原，被包埋在含有钙盐的基质中。若用弱酸或络合剂乙烯四醋酸等溶液浸泡后，溶去基质中的无机成分，骨质因失去坚硬性而变为柔韧可屈，同时胶原也被显示出来。含有典型的X线衍射像和电镜图像，并有640A轴性周期。胶原的分子构造为三条多肽链。每一条链含有一千多个氨基酸，分子量为95KU。这三条肽链交错呈绳状，故又称三联螺旋构造。其特点有一群氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸、甘氨酸、精氨酸、谷氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸等，其总氮量为18.45%，而甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸构成胶原总量的60%。胶原分子合成是在成纤维细胞、成骨细胞和成软骨细胞内，同时还合成和分泌某些非胶原性基质。胶原在生理状态下，是不可溶性结晶样物质。可溶性胶原是未交联的胶原类型，在生理状态下是固体，但能用冷氯化钠液和冷的稀释酸溶解，这种溶液贮藏在pH7和37℃的条件下，能形成由微原纤维构成的乳白色胶。胶原的功效是使多个组织和器官含有强度构造完整性。1mm直径的胶原承受10～40kg的力。骨质含的胶原为I型胶原。胶原细纤维普遍呈平行排列，但也分支，交互连接成错综的网状构造。胶原细纤维的直径和其它种类有很大不同，但普通说，随年纪增加，直径逐步增粗，显得更密集。(2)非胶原蛋白：非胶原蛋白普通约占类骨质(osteoid)的20%。随着骨的成熟和钙化，比例逐步下降，约为6%。现在已发现有多个对于骨的生长、再生、发育等有重要作用的蛋白质，如骨粘连素(osteonectin)、纤维粘连素、骨钙素等。骨粘连素分子量大小约32KU，系磷酸糖蛋白，与软骨内成骨过程中软骨钙化区内新骨基质的形成以及膜内成骨过程中新骨核的形成有关。与骨磷灰石有强的亲和力，促使游离钙离子与I型胶原结合。但纤维粘连素可竟争性克制骨粘连素促钙离子结合I型胶原的作用。纤维粘连素分子量约为220KU，含有两个由二硫键连接的亚单位，含有能与胶原、肝素和细胞表面结合的位点。在生长过程中的骨中，骨粘连素的含量远较纤维粘连素的为多。2/3的骨钙素与磷灰石结合紧密，难以分离。骨钙素属于γ-羧谷氨酸包含蛋白类(gamma-carboxyglutamic-acid-containingproteins,GLAproteins)，此蛋白类为维生素K依赖性。骨钙素又称骨γ-羧谷氨酸包含蛋白(bonegamma-carboxyglutamic-acid-containingproteins,BGP)。该蛋白在骨矿化峰期之后才出现积聚。使用维生素K拮抗剂，可使此蛋白在骨中的含量减少，但并不影响其脯氨酸的含量，也不影响骨的机械强度。(3)蛋白多糖类：矿化骨组织所含的蛋白多糖量极少，约占骨有机物的4%～5%，其化学构造及免疫学特性皆与其它组织内的蛋白多糖有明显之不同。其分子量大概为120KU，其分子的25%为蛋白质。蛋白多糖类可能克制骨羟基磷灰石晶体的沉积，因此，在正在钙化的组织中，蛋白多糖的变化有可能加紧组织的矿化。有资料表明，蛋白多糖聚合体克制骨骺生长板钙化过程中羟基磷灰石生长沉积的效应高于单体，蛋白多糖单体的克制效应强于糖胺多糖链。Buckwalter的研究表明，正在钙化的软骨内，蛋白多糖的构造和大小均发生了变化。(4)脂质：脂质约占骨有机基质的7%～14%，重要分布于细胞外基质泡的膜上和细胞膜上，细胞内构造以及细胞外的沉积也有脂质的存在，重要为游离脂肪酸、磷脂类和胆固醇等。酸性磷酸脂与磷酸钙结合形成复合体，参加骨的钙化过程。可钙化的脂蛋白在骨骺软骨开始钙化时含量最高。(5)无机物：骨基质中的无机物普通称为骨盐，在电镜下呈细针状结晶。这些骨盐结晶大都沉积在胶原纤维中。结晶衔接成链，并沿纤维长轴呈平行排列，其排列方向显示出很强的抗压力效能。无机物占干重量骨的65%～75%，其中95%是固体钙和磷。钙磷固体是一种结晶度很差的羟基磷灰石。人骨仅有0.50%的钙是能够交换的。骨质中次要的矿物质是镁、钠、钾和某些微量元素，涉及锌、锰、氟化物和钼。(五)骨的改建在骨生成的过程中，随着骨的增加增粗，每个骨的形状需要通过不停改建才干与身体的生长和体型相适应。最初形成的原始骨小梁，纤维排列较乱，含骨细胞较多，支持性能较差，通过多次改建后才含有整洁的骨板，骨单位也增多，骨小梁根据张力和应力排列，以适应机体的运动和负重。骨单位是长骨的重要支持性构造，它在1岁后才开始出现，此后不停增多和改建，增强长骨的支持力。骨单位的形成是由一端开始，向另一端进展。先由破骨细胞分解吸取陈旧骨质，形成一锥形隧道，在隧道最宽处出现一转变区(reversalzone)，此处破骨细胞消失，成骨细胞前体形成成骨细胞，开始形成粘合线并分泌类骨质，钙化形成骨板。骨板由外向内逐级增加，使隧道缩小形成中央管。骨单位形成后，中央管内则无成骨细胞，仅衬有一层扁平的成骨细胞前体。这样，新的骨单位不停形成，旧的骨单位不停被分解吸取，与此同时，环骨板也不停地改建，间骨板则是陈旧骨的残存。人一生中骨的改建是始终进行的，幼年时骨的生成速率不不大于吸取，成年人渐趋于平衡，老年人则骨质的吸取速率往往不不大于生成，使骨质变得疏松，结实性与支持力也削弱。二、骨的组织病理学(HistopathologyofBone)(一)骨前体细胞在胎儿期和出生后，全部的结缔组织细胞均来源于一种未分化的，高度增殖的间充质细胞。现已证明，一生之中，未分化的间充质细胞广泛存在于循环血液、造血组织、全部结缔组织内血管通道周边，这些间充质细胞可经诱导作用而生成骨、软骨、纤维组织或血。它们的普遍分布构成一多能细胞库。由这些未分化的间充质细胞生成骨只是一种临时的过程，它需要持续不停的骨诱导作用，一旦这种诱导因素去除，骨生成亦即停止。未分化间充质细胞的形态学体现尚不明了，常被描述为细胞核色淡，呈囊泡状、卵圆形或梭形、而细胞质并不明显的细胞。但事实上，其形态不一。尽管其形态无定形，但通过放射性同位素掺入、组织化学研究及诱导因子的作用证明了间充质细胞的存在。单纯从形态学角度鉴别间充质细胞向特定细胞(如骨前体细胞)的转变是非常困难的。这些分裂细胞群常位于骨表面，由于它们即是成骨细胞的前体，也是破骨细胞的前体，因此称为骨前体细胞。机体内存在有两种类型的成骨前体细胞能够形成新骨。一种重要存在于骨髓，不需诱导因子的作用，即可本身分化，形成成骨细胞而成骨，称之为定向成骨前体细胞(determinedosteogenicprecursorcells，DOPC)；另一类为广泛分布的未分化间充质细胞，需要骨诱导因子的参加，才干转化为成骨细胞而成骨，称之为可诱导的成骨前体细胞(inducibleosteogenicprecursorcells,IOPC)。骨移植中最惯用本身红骨髓以增进骨愈合，重要是由于其内含有丰富的定向成骨前体细胞。成骨前体细胞理论认为：在全部的结缔组织内均存在有间充质细胞样干细胞，在多个不同因素的作用下，有可能经诱导作用而快速增殖分化为含有特定功效的细胞。一旦这些特定功效的细胞在特定的时间内完毕其使命后，它们即通过自溶、或者转化为其它细胞、或回返其原间充质细胞状态而消失。如果成骨过程必须持续进行，则新的间充质细胞不停增殖、分化，以补充成骨细胞。对于骨来说，该理论是骨改建、骨折修复、坏死骨的吸取和替代过程的基础。骨修复不仅依赖于成骨细胞和破骨细胞的细胞内代谢活动，也依赖于各自前体细胞内的代谢活动，由于已分化完善并含有特定功效的细胞再分裂的能力极少或没有，而骨吸取和骨形成过程需要由原始结缔组织细胞不间断的补充破骨细胞和成骨细胞。有研究表明，已分化的骨髓血窦内壁的网状内皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、有核红细胞(nucleatederythrocytes)和组织细胞(histiocytes)能够转化为成骨细胞。这些形态学变化能够通过电刺激及诱导因子而实现。这些观察与干细胞理论相一致，由于干细胞可能是间充质细胞向高度特异的骨细胞分化过程中的中间态，或者这些原始的结缔组织细胞可经诱导而在分化为成骨细胞和破骨细胞之前返回其间充质状态。(二)骨生成的影响因素1.压力：肌肉组织产生的生理程度内的压力刺激可增强骨的生成，压力过高则使骨生成延缓及骨坏死。没有压力则使其刺激作用丧失，但并不妨碍骨生成。即使在感染条件下压力仍可刺激骨的生成。当骨受到压应力后，骨小梁沿压应力轴线发育以适应应力的分布(Wolff定律)。与长骨轴线垂直的力使骨吸取，沿长骨轴线的力增进骨生成。2.循环：骨生成需要血液循环，但瘀血可造成骨生成减少，骨质脱钙和骨质疏松。骨质缺血可造成骨坏死。一旦骨坏死出现，坏死骨的密度较其周边因瘀血而脱钙的骨质的密度为高3.废用性及制动：当机体制动或废用后，骨生成减少，制动部分的全部骨质疏松，重要因素是血流瘀滞和肌力的丧失。4.炎症：创伤或感染可引发反映性充血，进而影响钙盐的降解。粒细胞蛋白溶解酶使基质降解，干扰类骨质的形成。5.神经营养障碍(Sudeck萎缩；反射性交感神经性营养障碍)：创伤后，反射性血管扩张可影响创伤区域局部或甚至延至整个肢体。受累部位血流瘀滞，肤色青紫，皮温减少，由于瘀血后局部酸中毒而出现斑点状溶骨变化和局部氧张力的下降。6.牵引：牵引延缓骨生成，例如：骨折断端的牵引可减少骨痂的生成，延迟骨愈合连接。7.剪应力：骨折后，当骨折对侧端处在剪应力状态时，骨生成减少，而重要形成纤维组织和软骨。8.骨膜：对于骨生成来说，即使骨膜的包裹并非绝对需要，但却非常重要，如肋骨去骨膜后即不能再生。骨膜移植可形成新骨，骨膜破坏则延缓骨生成。当骨膜被肿瘤等撑离骨表面后，骨膜下可形成一层新骨。9.局部骨质无缺损：局部骨的存在，不管是带血运的活骨组织，还是无血循的移植骨，均可刺激骨生成。骨中存在骨诱导蛋白(osteo-inductiveprotein)随着死骨的吸取可诱导新骨的形成。骨折纤维连接时，于骨折断端假关节两侧植骨，即可促使纤维组织内骨化，增进骨愈合。10.生长激素：生长激素可增加骨的生成，即使骨外膜和皮质内成骨也有增加，但重要以骨内膜成骨。骨生成与骨吸取的速度都有增加，但生成不不大于吸取，因此净骨含量增加。11.生长因子：组织损伤后局部释放多个生长因子，参加骨质形成的增进和调节，如转化生长因子(transforminggrowthfactor,TGF)、骨诱导蛋白、成纤维细胞生长因子(fibroblastgrowthfactor,FGF)、血小板衍生性生长因子(platelet-derivedgrowthfactor,PDGF)、胰岛素样生长因子(insulin-likegrowthfactor,IGF)等。12.生物电：水化的活骨外部应用弱电流可影响间充质细胞向成骨细胞前体的转化，在负电极周边增进骨形成。三、骨矿化的影响因素(FactorsInfluencingBoneMineralization)(一)胶原的组织分布偏振光下，胶原板呈持续的黑白相间层状排列，当胶原纤维未能按此方式排列时，如在编织骨中，就没有这种板状双折射现象。由于最后是胶原纤维发生矿化，因此，整个骨质成熟过程首先是由成骨细胞在特定的条件下合成分泌胶原来启动的。四环素是骨矿化的良好标记物，对不脱钙骨切片的荧光染色可清晰地显示新生骨的矿化缘。(二)线粒体的作用骨基质钙化的调节尚未完全理解。线粒体通过氧化磷酸化产生ATP提供能量。正在钙化的基质内的细胞内线粒体可聚和钙与磷。在钙化前的生长板中，软骨细胞内的线粒体富含钙和磷，而肥大软骨细胞内线粒体的钙磷丢失，使细胞外基质中出现矿盐沉积(动物缺钙患佝偻病时除外)。(三)基质泡的作用在骨矿化过程中，基质泡比较常见，且与矿化有关。当未成熟骨或编织骨并有大量类骨质时，在软骨内成骨中即可见基质泡的存在。但当已有大量矿盐晶体存在的板层骨矿化一开始，基质泡似乎并非其所必需，有可能会消失。有学者发现基质泡是由软骨细胞芽生形成的。基质泡内富含磷酸酶，基质泡膜上含有酸性磷酸脂。(四)骨诱导基质蛋白的作用纤维粘连素与胶原有高度的亲和力。普通认为，通过化学趋化作用，纤维粘连素诱使成骨前体细胞趋移和附着，此为骨诱导的第一步。现已通过化学办法从骨基质中提取了一种能够诱导软组织成骨的蛋白质，骨形态发生蛋白(bonemorphogeneticprotein,BMP)。通过基因工程技术，已获得了基因重组体现的重组人BMP(recombinanthumanBMP,rhBMP)。骨钙素和骨粘连素的作用前已述及。在生长板软骨内还发现有一种钙结合蛋白—软骨钙素(chondrocalcin)，与羟基磷灰石有强亲和力。它存在于骨骺软骨的增殖成熟区和上部肥大钙化区内的软骨细胞胞内空泡中，下部肥大钙化区的软骨细胞内则无，而存在于胞外基质中，可能系软骨细胞释放所致。基质泡的位置与软骨钙素浓集之位置没有明显的形态学关系。软骨细胞能够诱导软骨基质钙化。异体移植培养的生长板软骨细胞能够异位诱导软骨内成骨。合成分泌软骨钙素为骺软骨细胞所特有，由于关节软骨细胞无此诱导活性。(五)骨矿化的机理骨的矿盐重要由钙和磷构成，也含有相称数量的碳酸盐，含有晶体化程度差的羟基磷灰石的X线构造特性。骨盐晶体非常小，为化学反映提供更大的交互面积，同时，也是机体大的钙离子和镁离子库(机体约2/3的镁离子存在于骨骼中)。更重要的是随着组织的老化、动物种类的不同或者矿盐本身的老化，骨矿盐X线衍射方式也发生进行性变化。在生长板的软骨内成骨过程中，有证据表明，骨矿化过程呈多相性，组织内各部分的启动机理不尽相似，但矿盐晶核过程(nucleation)的物理化学过程却完全相似。软骨基质含Ⅱ型胶原，而骨基质含I型胶原，通过氨基酸组织化学染色研究软骨内成骨过程中这种胶原类型发生变化的机理，发现间充质细胞(可能是侵入的成骨细胞)于侵蚀的软骨表面分泌I型胶原，逐步地，于肥大软骨细胞周边基质内，与Ⅱ型胶原一并出现，阐明，随着软骨细胞的退变，软骨细胞转向开始合成I型胶原，为形成类骨质做准备。Glimcher认为，在基质泡和线粒体内所见的固相磷酸钙颗粒并不能对较远部分例如胶原纤维，产生直接的物理作用。在以不同方式钙化的不同区域内，基质泡并不存在。认为基质泡启动晶核过程后，随之通过二级晶核过程(secondarynucleation)而进入胶原纤维的孔洞区，但该理论似乎又不能完全成立，由于在胶原纤维矿化前，大多数状况下，胶原原纤维间隙一开始并不是由固相的磷酸钙充填。Glimcher认为矿化早期的明显特性是在胶原纤维间尚无矿盐时，起始晶体即沉积于胶原纤维的孔洞区。推测开始时，液相磷酸钙在胶原纤维内可形成晶体，但在胶原纤维间的细胞外液中不能形成晶体。该假说认为，骨内胶原纤维的构型是多相性晶核过程的催化剂，并是早期胶原原纤维孔洞区内固相磷酸钙颗粒形成的重要因素。骨胶原基质提取物的骨诱导特性也支持上述假说。胶原原纤维内存在有特殊的晶核集结部位可能是胶原原纤维对晶核过程含有强催化作用的重要因素。因此，Glimcher认为，线粒体、基质泡、胶原以及其它构成成分的钙化是互相独立的物理化学过程。每一区域内有机大分子的特定排列分布提供了由液相磷酸钙形成骨固相磷酸钙的对的环境。这些分子的变化受增进因素以及克制酶系统的调节。四环素对类骨质矿化区的亲和性已为人所共知。四环素还可通过克制组织胶原酶活性克制过分胶原溶解活性介导的结缔组织的降解。成骨细胞合成的磷酸蛋白将骨盐连接于骨有机基质。在胶原纤维孔洞区周边的特定部位，磷酸蛋白通过磷酸丝氨酸和磷酸苏氨酸间的磷酸一酯键将矿盐与有机物相连接。在矿化早期，丝氨酸和苏氨酸浓度最高，随着矿化的进行，两者浓度也减少。这阐明，上述机理论述了首批矿盐颗粒集结的过程，而进一步的矿化则由二级晶核过程完毕。四骨的代谢（BoneMetabolism）（一）钙身体内９９％的钙贮存于骨中，１％的骨钙为可交换钙，其它骨钙的交换则需要某些细胞（如破骨细胞）、旁分泌（如破骨细胞刺激因子）、或内分泌（如甲状旁腺素）因素的共同参加。细胞外钙浓度的调控非常重要，肌肉细胞膜的兴奋性与下述公式之值成正比：(HCO3-)(HPO4-)/(Ca++Ｍg++)(H-)根据上述公式，细胞外液中钙浓度的减少可引发肌肉强直，这即是Chvostek征的基础，即敲击刺激咬肌可引发咬肌痉挛，同时有可能合并出现手足的抽搐，低钙血症的治疗是适宜的补钙。过量的摄入维生素Ｄ以及口服钙剂可造成高钙血症，如果血钙含量超出400mg/L则会很快危及生命。治疗急性高钙血症的方法重要涉及再水化和使用速尿。高钙血症的症状可有精神抑郁、嗜睡以及精神病发作，肌张力下降，肌力减少，并出现心律不齐，脑电图和心电图统计也发生对应的变化。鉴别诊疗涉及骨恶性肿瘤、原发性甲状旁腺功效亢进、维生素Ｄ中毒以及类肉瘤病(sarcoidosis)，也应注意少有的遗传性高钙血症。血钙的存在方式有三种：４８％为游离钙离子；４６％为与血浆蛋白，重要是白蛋白结合的钙离子，剩余部分钙则与柠檬酸盐和磷酸盐形成复合物。根据上述公式可见，即使血钙正常，pH值偏碱，如过分通气所致，也可产生低钙血症的生理效应。其它某些因素涉及医原性甲状旁腺功效减退、假性甲状旁腺功效减退、吸取障碍综合征（malabsorptionsyndromes）及维生素Ｄ缺少。钙吸取经由肠上皮细胞的刷状缘通过主动转运完毕。该过程受1，25-二羟基维生素D3调节。在粘膜细胞的肠腔面，钙吸取进入细胞受刷状缘内1,25-二羟基维生素D3依赖的钙载体介导。1，25-二羟基维生素D3增进钙由粘膜细胞进入血液。通过刺激α-肾上腺素能受体（如使用肾上腺素）可增加钙运输所必需的ＡＴＰ酶。当血钙水平下降后来，肾脏增加1,25-二羟基维生素D3的产量；血钙水平升高后，由肾脏产生的1,25-二羟基维生素D3含量下降，由此来调节机体对钙的吸取。钙也可通过钙调蛋白依赖的钙转运ＡＴＰ酶由肠壁细胞分泌入肠腔内，继而又被其它肠壁细胞再吸取。某些钙也可经被动扩散以及与某些物质结合形成不溶性化合物而被吸取。磷酸盐有可能减少饮食中钙的吸取。饮食中钙的严重缺少或者肠吸取障碍均可造成骨骼矿化缺点（骨软化）。钙吸取个体差别较大，且在老年人，往往低于正常。几乎全部的滤过钙在肾脏内重吸取，近端肾小管内完毕６０％的钙重吸取，其它的由远侧肾小管重吸取并受甲状旁腺素的调节（图3-12）。（二）磷血磷含量普通为24～44mg/L，大多数为可扩散形式，只有１２％的磷与蛋白结合。磷不仅在重要细胞酶系统和分子间交互作用中发挥作用，并且也是骨矿物的构成成分。因此并不奇怪，身体总磷含量为500～800g，85%～90%的磷都在骨骼内。钙、磷离子的运动往往有关联。磷酸盐是肠吸取过程中，正常随着钙转运系统的阴离子，但推测存在有一种依赖维生素Ｄ的独立的磷吸取系统。经肠吸取的磷与饮食中的磷含量呈线性比例关系。经肾小球滤过的磷只有１０％排入尿液，其它的被重吸取。有两种吸取机理：①肾单位的近侧肾小管通过主动转运的主动重吸取。使用甲状旁腺素克制后，可引发磷酸盐尿；②此路过与甲状旁腺功效无明显关系，当血中无机磷水平升高后，肾小管减少磷的重吸取，但这并不是简朴的依赖于肾小球滤过的磷含量的变化。血磷水平与肾转化25-羟基维生素D3为高活性的1,25-二羟基维生素D3的羟基化酶之间存在有反馈调节机理（图3-12）。高血磷水平可克制此酶的活性，使活性代谢产物的含量下降，而血磷水平对于甲状旁腺分泌甲状旁腺素似乎无多大影响。血磷升高可使血钙水平下降（如慢性肾脏疾病中滤过率下降所致），低血钙可刺激甲状旁腺素的活性，促使肾脏去除磷，升高血钙水平，恢复钙磷平衡。如果肾脏对于高磷负荷无反映，由于甲状旁腺素也可刺激骨释放磷，因此，血磷水平居高不下。逐步地，低水平的1,25-二羟基维生素D3不能够满足维持钙平衡的规定，而甲状旁腺素继续在分泌与作用，最后造成肾性骨营养不良。1,25-二羟基维生素D3的缺少可引发骨软化，继发性甲状旁腺功效亢进可引发囊状纤维性骨炎(osteitisfibrosacystica)。肾小管疾病中，也有类似的1,25-二羟基维生素D3的缺少，但肾磷排泄水平异常高。（三）甲状旁腺素细胞外液中离子钙含量的下降可刺激甲状旁腺释放甲状旁腺素。血钙水平升高后，其释放受克制。甲状旁腺素可促使骨表面的细胞释放钙和磷。它可增加肾对磷的排泄而产生磷酸盐尿，也可影响维生素Ｄ的代谢。cAMP和钙离子是甲状旁腺素的细胞内第二信使。骨内，甲状旁腺素作用于成骨细胞膜上的受体，增进膜上腺苷酸环化酶的活性及钙离子进入细胞，使胞内钙离子水平升高，cAMP含量增加。尿中cAMP含量的增加表明甲状旁腺素活性水平的升高。甲状旁腺素的半衰期不到２０min，很快就被肝Kupffer细胞代谢降解。甲状旁腺素通过肾内１α-羟基化酶刺激1,25-二羟基维生素Ｄ３的合成而升高钙离子水平。其对骨的直接作用是增进骨吸取，促使钙的释放，恢复血钙水平。由于骨吸取与破骨细胞的激活有关，而成骨细胞又是甲状旁腺素的初级靶细胞，现已发现，不管是在骨的形态发生过程中，还是受激素的刺激，破骨细胞的许多功效均受成骨细胞介导。甲状旁腺素、1,25-二羟基维生素Ｄ３和前列腺素E2(PGE2)与成骨细胞作用后间接刺激破骨细胞。甲状旁腺素可诱使骨表面的成骨细胞发生形态学变化（变为梭形），同时通过变化原胶原信使ＲＮＡ（mRNA）的活性而克制骨胶原的合成。（四）维生素Ｄ动物体内存在的维生素Ｄ３，与人工合成的维生素Ｄ２化学构造相似。存在于皮肤内的其前体二氢胆固醇受阳光紫外线照射后可转化为胆骨化醇（维生素Ｄ３）(图3-13)。维生素Ｄ３在肝脏内转化为２５-羟基胆骨化醇(25-OH-D3)，与其它维生素Ｄ衍生物同样，25-羟基胆骨化醇经与血浆中特异性结合球蛋白(维生素D结合蛋白)结合而被转运。在近端肾小管细胞的线粒体内，经肾１α羟基化酶作用，生成1,25-二羟基胆骨化醇(1,25(OH)2D3)。但血磷水平的升高和甲状旁腺素水平的减少均可克制１α羟基化酶的活性，基此机理能够调控细胞外液中钙离子的水平。肾内5-羟基胆骨化醇的进一步羟基化可生成２４，２５-二羟基胆骨化醇［２４,25（OH）2D3］，1，25-二羟基胆骨化醇水平的升高可增加２４，25-二羟基胆骨化醇的生成。1,25-二羟基胆骨化醇不仅调节肠对钙的吸取，并且可直接作用于骨。与甲状旁腺素同样，对骨基质的合成含有重要的作用，在体外条件下可使骨基质合成减少５０％之多，但可使骨钙素的合成和血清骨钙素的浓度增加。体外组织培养发现维生素Ｄ可克制骨胶原的合成，此机理对于钙与磷缺少时有用。1，25-二羟基维生素D3克制脱矿骨肌肉内移植骨诱导过程中第一代间充质细胞的增殖，延缓间充质组织增生和软骨形成的起始，但在骨诱导后期，当毛细血管芽生明显时，可刺激细胞随着血管的长入而分化。这些细胞分化为成骨细胞，并碱性磷酸酶水平升高。成骨细胞有1，25-二羟基维生素D3的受体，其对骨表面成骨细胞的作用与对肠粘膜细胞的作用相似，调节细胞对钙离子的转运。研究发现，夏季血1，25-二羟基维生素D3的水平并未升高，但确实存在有季节有关性疾病，如骨软化和某些骨折，在冬季的发病率有增加的趋势，可能阐明维生素Ｄ的其它代谢产物的生理作用可能比1,