发育正常的成年人体有206块大小不等、形态各异的骨。按其所在的部位不同分为躯干骨、四肢骨和颅骨。这些骨依其不同的功能,按一定方式和力学结构,通过关节、肌腱、韧带或骨缝互相连接,构成完整的骨骼系统。
骨的外面包有骨膜,骨的内腔称为骨髓腔,含有骨髓组织。骨骼系统有其血液供应、淋巴回流和神经分布。
骨骼系统构成机体坚硬的骨架结构,构成并保持机体的形态,支撑体重。骨和关节是运动系统的主要组成部分,当骨骼肌收缩时与之相连的肌腱发生运动,骨在运动中起杠杆作用,关节起枢纽作用。骨髓腔内的骨髓组织,是主要的造血器官。骨能贮存钙和磷,对钙、磷代谢和调节起着重要作用。某些骨按一定方式互相连接构成一定形状的腔隙,对其内在器官起保护作用。如多块颅骨靠缝隙连接构成颅腔,以保护脑;胸椎、胸骨和肋骨互相连接围成胸腔,以保护心脏、肺脏和纵隔中的器官、组织;骶骨、髂骨、耻骨、坐骨互相连接围成骨盆腔,起到保护盆腔器官的作用;许多椎骨彼此连接构成长管状脊髓腔,脊髓在其管腔内受到保护。
用肉眼观察,骨可分为密质骨和松质骨两种类型。
密质骨(compact bone)又称皮质骨(cortical bone),它与松质骨具有相同的基本组织结构,即均由板层骨构成,两者主要差别在于骨板的排列形式和空间结构,密质骨的骨板排列十分规律,并且所有的骨板均紧密结合,仅在一些部位留下血管和神经的通道,需在显微镜下才能观察到其中的间隙,其骨孔占5%~30%,肉眼看致密无空隙,故得名密质骨。长骨骨干主要由密质骨构成,扁骨和短骨的表层也为密质骨。密质骨约占人体骨骼的80%,其总体积为1 400cm 3 ,密质骨与松质骨彼此逐渐移行,两者没有截然的界限。微细结构显示密质骨构成紧密堆积的骨单位(osteons),即哈弗斯系统,由包绕中心哈弗斯管的同心骨板、间骨板及内、外骨膜表面的环行骨板构成。骨单位是由破骨细胞的切割锥先在密质骨中切割出孔道,然后由成骨细胞的闭合锥围绕孔道进行的中心管的环形填充。换言之,骨单位的大小是在破骨细胞的切割锥形成孔道时即被决定的,而成骨细胞的功能只决定孔道被填充的速度及程度,因此,骨单位的大小主要由破骨细胞的功能调节。密质骨的致密结构被哈弗斯管及与其连接的伏克曼管所穿过,后者向周围放射,与相邻骨单位相连形成网络,借此血管和淋巴管可以走行,使骨内的血供与骨外膜相连。小梁骨的骨板成纵束排列,其方向受应力影响,有的与髓腔相连。
松质骨(spongy bone or cancellous bone)由大量针状或片状骨小梁相互连接的立体网格构成,骨小梁之间为相互通连的间隙,即骨髓腔,内含骨髓、血管和神经等。由于骨小梁的空间结构形式具有疏松特征,即有较多的骨孔(bone porosity),其所占比例为30%~90%,故得名松质骨。骨小梁厚度一般为0.1~0.4mm,结构简单,由数层不甚规则平行排列板和骨细胞构成,细小的骨小梁内无血管,然而较大的骨小梁可含有少数小的哈弗斯系统,哈弗斯管内血管较细或缺乏,骨小梁的表面都覆以薄层骨内膜。无血管进入的骨小梁,骨细胞的营养由骨髓腔血管供应,通过开口于骨内膜的骨小管运送。据推算,成人骨中的骨小梁占骨质总量的20%,总体积约为350cm 3 ,但表面积大,约占骨总面积的2/3。骨小梁生物力学性能和结构分析表明,骨小梁的连接和结构连续性对其承受载荷的能力是非常重要的。在相同的表现应变时,健康松质骨骨小梁的应力相对较高,但是应力分布区域相对狭窄,在骨小梁群中应力分布均匀,极高和极低应力骨小梁数量少。而骨质疏松骨的骨小梁情况则反之。松质骨位于骨的深部。长骨骨骺主要由松质骨构成,骨干内表面即骨髓腔周围有少量松质骨,颅盖扁骨中的板障为松质骨,短骨的中心通常也为松质骨。松质骨的代谢一般比密质骨活跃,改建速率快,因此,由于局部病变或代谢异常引起的骨结构改变,往往首先由松质骨反映出。
密质骨的主要功能是机械和保护作用,而松质骨主要起代谢作用。密质骨主要位于长骨骨干,虽然占骨量80%,但表面面积为3.2m 2 。松质骨位于椎骨、扁骨及长骨干骺端,仅占骨量20%,但其表面面积为10m 2 ,远较密质骨大。
细胞外有机骨基质可呈板层骨或交织骨排列。板层骨的胶原束排列高度有序,偏光显微镜下呈交替各向同性和各向异性,厚2~3μm,骨细胞均匀分布,长轴与板层平行,在交织骨中,粗胶原束呈不规则分布,骨细胞排列杂乱。交织骨也称为不成熟或纤维骨,见于胚胎骨,正常在2岁后不再出现。骨折骨痂以及某些疾病如Paget病、纤维性骨炎,由于骨形成及骨重建加速,可出现交织骨。
骨为动力器官,从出生到生长停止经历着生长和塑建,以后在一生中又不断经历骨重建,在力学及其他调节因素下不断有骨形成和骨吸收,作为耦联以维持骨内平衡。骨同时是身体维持矿物盐内在平衡的重要器官,是钙的贮存器官,血清钙的调节可借骨细胞将骨钙释出至细胞外液而不发生基质降解。刺激骨形成或抑制骨吸收正是目前治疗许多骨代谢疾病的重要措施。
长骨分布于四肢,左右对称,成对存在,多呈长管状。其外面为骨质,内部为骨髓腔。长骨一般中部较细,称为骨干。骨骺两端是软骨被覆的光滑面,称为关节面,一个骺端可以有一个或几个关节面。
长骨由密质骨、松质骨和骨膜等构成。
密质骨的骨板有3种常见排列形式:环骨板、哈弗斯骨板和间骨板。在骨基质中,胶原纤维规律地成排排列,同时与骨盐晶体和骨基质紧密结合,构成的结构称为骨板。在骨重建过程中,新的哈弗斯系统可取代旧的,间骨板是旧的哈弗斯系统的残留。
(1)环骨板(circumferential lamella):是指环绕骨干外、内表面排列的骨板,分别称为外环骨板(outer circumferential lamella)和内环骨板(inner circumferential lamella)。外环骨板居骨干的浅部,由数层到十多层骨板组成,比较整齐地环绕骨干平行排列,其表面由骨外膜覆盖。骨外膜中的小血管横穿外环骨板深入骨质中。贯穿外环骨板的血管通道称穿通管(perforating canal)或伏克曼管(Volkman canal),其长轴几乎与骨干的长轴垂直。穿通管在骨表面的开口即为滋养孔,内环骨板居骨干的骨髓腔面,仅由少数几层骨板组成,不如外环骨板平整。内环骨板表面衬以骨内膜,后者与被覆于松质骨表面的骨内膜相连续。内环骨板中也有穿通管穿行,管中的小血管与骨髓血管通连。从内、外环骨板最表层骨陷窝发出的骨小管,一部分伸向深层,与深层骨陷窝的骨管通连;一部分伸向表面,终止于骨和骨膜交界处,其末端是开放的。
(2)哈弗斯骨板(Haversian lamella):介于内、外环骨板之间,是骨干密质骨的主要部分,它们以哈弗斯管(Haversian canal)为中心呈同心圆排列,并与哈弗斯管共同组成哈弗斯系统。哈弗斯管也称中央管(central canal),内有血管、神经及少量结缔组织。长骨骨干主要由大量哈弗斯系统组成,所有哈弗斯系统的结构基本相同,故哈弗斯系统又有骨单位(osteon)之称。
骨单位呈圆柱形,其长轴基本上与骨干的长轴平行,但改建的骨单位不总是呈单纯的圆柱形,可有许多分支互相吻合,具有复杂的立体构型。因此,可以见到由同心圆排列的骨板围绕斜行的中央管。中央管之间还有斜行或横行的穿通管互相连接,但穿通管周围没有同心圆排列的骨板环绕,据此特征可区别穿通管与中央管。哈弗斯骨板一般为4~20层,故不同骨单位的横断面积大小不一。每层骨板的平均厚度为3μm。骨板中的胶原纤维绕中央管呈螺旋形行走,相邻骨板中胶原纤维互成直角关系。每个骨单位最内层骨板表面均覆以骨内膜。
中央管长度为3~5mm,中央管的直径因各骨单位而异,差异很大,为20~110μm,其中通行的血管也不一致,有的中央管中只有一条毛细血管,其内皮有孔,胞质中可见吞饮小泡,包绕内皮的基膜内有骨细胞。有的中央管中有两条血管,一条是小动脉,或称毛细血管前微动脉;另一条是小静脉。骨单位的血管彼此通连,并与穿通管中的血管交通。与血管伴行的神经大多为无髓神经纤维,偶可见有髓神经纤维。
根据生理活动状态,可将骨单位分为发育中的骨单位、成熟的骨单位和被吸收的骨单位3种类型。
发育中的骨单位,其骨板正在沉积和逐步矿化,它们的中央管内表面有活跃的成骨细胞分布,可以不断地形成新骨,因尚未矿化而称为类骨质;成熟骨单位的骨板层数多,中央管的管壁由有突起的骨衬细胞被覆,这些细胞突起常伸入最内层骨板的骨小管内,与骨细胞的突起相连接;正被吸收的骨单位,其中央管管腔因骨板被侵蚀而变大,并可见侵蚀骨质的破骨细胞贴附于管壁。
根据骨盐沉积的情况,骨单位又可分为未完全矿化的骨单位和完全矿化的骨单位。前者正处于矿化期间,属发育中骨单位;后者已完全矿化,属成熟骨单位。通过显微放射自显影术测定动物长骨骨干中完全矿化的骨单位,发现其骨基质的矿化度低于94%者甚少。骨盐的多少还与骨板中胶原纤维的含量有关,胶原纤维含量高的骨板,其骨盐含量也较高。
所有骨单位表面都有一层黏合质,它是一层骨盐较多而胶原纤维很少的骨基质。在横断的骨磨片上,这层黏合质呈折光较强的骨单位轮廓线,称为黏合线(cementing line)。伸向骨单位表面的骨小管,都在黏合线范围以内返折,不与邻近骨单位的表层骨小管通连。骨单位最内层的骨小管末端均开口于中央管。
(3)间骨板(interstitial lamella):位于骨单位之间或骨单位与环骨板之间,大小不等,呈三角形或不规则形,也由平行排列骨板构成,无血管穿过。间骨板与骨单位之间有明显的黏合线分界。间骨板是骨生长和改建过程中哈弗斯骨板被溶解吸收后的残留部分。
长骨两端的骨骺主要由松质骨构成,仅表面覆以薄层密质骨。松质骨的骨小梁粗细不一,相互连接而成拱桥样结构,骨小梁的排列分布方向完全符合机械力学规律。骨小梁的力学性能研究成为目前生物力学研究的热点问题之一。例如股骨上端、股骨头和股骨颈处的骨小梁排列方向,与其承受的压力和张力曲线大体一致;而股骨下端和胫骨上、下端,由于压力方向与它们的长轴一致,故骨小梁以垂直排列为主。骨所承受的压力均等传递,变成分力,从而减轻骨的负荷,但骨骺的抗压、抗张强度小于骨干的抗压、抗张强度。骨小梁之间的间隙相互连通,并与骨干的骨髓腔直接相通。骨小梁有3个主要的显微结构:板状结构、棒状结构以及它们的连接结构。研究表明骨质疏松症患者骨小梁体积分数下降时,其显微结构已发生明显改变。与性别及年龄相匹配的正常人比较,骨质疏松症患者骨小梁体积、表面密度和数目均下降,而骨小梁间距和骨髓间隙星状体积却增加。结构的变化可能与骨小梁穿孔有关,其结果是骨小梁网状连续性中断。结构变化引起的骨小梁强度下降比骨量丢失引起的强度下降要大。
骨膜由致密结缔组织组成。包在骨表面的较厚层结缔组织称骨外膜(peristeum),被衬于骨内表面的薄层结缔组织称骨内膜(endosteum)。
除骨的关节面、股骨颈、距骨的囊下区和某些籽骨表面外,骨的表面都有骨外膜。肌腱和韧带附着于骨外均与骨外膜连续。成人长骨的骨外膜一般可分为内、外两层,但两者并无截然分界。骨外膜外层的细胞成分少,主要为较粗大的胶原纤维束,彼此交织成网,故又称纤维层(fibrous layer)。其中有些纤维束穿入骨质,称沙比纤维(Sharpey fiber)或穿通纤维(perforating fiber),其作用是使骨膜固定于骨。骨外膜内层直接与骨相贴,其纤维成分少,排列疏松,血管及细胞丰富,细胞贴骨分布,排列成层,一般认为它们是骨祖细胞。骨外膜内层的组织成分随年龄和功能活动而变化,在胚胎期和出生后的生长期,骨祖细胞层较厚,其中许多已转变为成骨细胞。成年后骨处于改建缓慢的相对静止阶段,骨祖细胞相对较少,不再排列成层,而是分散附着于骨的表面,继续参与终身缓慢进行的骨改建活动及骨折时的修复活动。由于骨外膜内层有成骨功能,故又称生发层(cambium layer)或成骨层(osteogenic layer)。有学者提出骨外膜可分为3层,即浅表的纤维层、中层和生发层。3层结构有明显的年龄性变化。出生后,中层分化较差,血管甚少。在快速成长期,中层发育达高峰。成年后,中层结构开始退化,逐渐消失。
骨内膜被覆于骨干和骨骺的骨髓腔面以及所有骨单位中央管的内表面,并且相互连续。骨内膜非常薄,不分层,由一层扁平的骨祖细胞和少量结缔组织构成。近年来研究表明,非改建期骨的骨内膜表面覆有一层细胞,称为骨衬细胞(bone lining cell),细胞表型不同于成骨细胞。骨衬细胞分布密度低,每平方毫米约375个,然而仍超过该处的成骨细胞和破骨细胞总数。骨衬细胞具有4种功能:①它们形成骨表面功能性膜的大部分(其余部分由骨表面的其他细胞构成),此膜的作用是分隔骨组织液与骨间质液;②调节矿物质的动态平衡;③作为骨细胞的支持性细胞;④以3种方式参与正常骨组织形成和吸收耦联,这3种方式是:释放趋化因子以吸引破骨细胞的前体细胞,细胞退缩和暴露骨表面以吸引破骨细胞的前体细胞,移去骨表面未矿化的结缔组织层以利破骨细胞的前体细胞在该处附着。
骨外膜和骨内膜的主要功能是营养骨组织,为骨的修复或生长不断提供新的成骨细胞。骨膜具有成骨和成软骨的双重潜力,临床上利用骨膜移植,已成功治疗骨折延迟愈合或不愈合、骨和软骨缺损、先天性腭裂和股骨头缺血性坏死等疾病。骨膜内有丰富的游离神经末梢,能感受痛觉。
短骨多分布在既承受重量、结合紧密,而又运动复杂、灵活性比较大的部位,如腕骨、跗骨等。短骨的外形多呈立方形,常有多个关节面,与邻近几块骨相连构成多个关节,以提供灵活运动的条件。
扁骨主要分布于头部、胸部等处,如颅骨、胸骨、肋骨和肩胛骨等,其外形多呈板状。这类骨常常围成体腔,保护内部脏器,如颅骨围成颅腔,胸骨和肋骨围成胸腔,骨盆诸骨围成盆腔等。
扁骨也有密质骨和松质骨。以颅骨为例,其内外两层都是密质骨,两者之间夹一层厚度不一的松质骨。如中间的松质骨缺如,则两层密质骨融合。内、外两层密质骨分别称为内板和外板:外板厚而坚韧,弧度较小,耐受张力;内板薄而松脆,较易折损。内、外板之间的松质骨称为板障,有迂曲的板障管穿行,是板障静脉通行的管道。
不规则骨外形不规则,主要见于椎骨和颞骨等。人类脊柱由33块椎骨(颈椎7块,胸椎12块,腰椎5块,骶骨、尾骨共9块)借韧带、关节及椎间盘连接而成。脊柱上端承托颅骨,下连髋骨,中附肋骨,并作为胸廓、腹腔和盆腔的后壁。脊柱具有支持躯干、保护内脏、保护脊髓和进行运动的功能。
含气骨并不是根据外部形态分类,而是因为某些骨内具有天然含气的空腔而得名。这些具有含气空腔的骨主要与发音共鸣有关系,同时也有减轻骨重量的作用,如上颌骨、额骨、筛骨等,分别形成上颌窦、额窦、筛窦等。