第二章　骨与关节

第一节　骨骼

一、骨的功能

骨骼是人体的重要器官，是运动系统的主要组成部分。人体骨骼按其不同功能，依靠一定的方式和力学结构，互相连成一个整体。在神经系统的调控和其他系统的配合下，人体骨骼表现出支持身体、保护内脏、完成运动和参与代谢、造血等功能。

1.支架　骨骼是全身最坚硬的组织，互相连结成一个完整的、坚硬的骨架结构，使身体保持一定的形态和姿势，对人体起着支撑和负重的作用，使人体能完成站立、行走、负重和劳动。支架功能是人体骨骼最主要的功能，主要是由躯干骨中的脊柱和四肢骨承担，一旦发生骨质疏松症，就会损害支架功能，危害人体健康。

2.保护内脏　人体一些骨骼按一定方式互相连结而围成一定形状的体腔，以其坚硬的结构保护腔内的各种重要脏器。如头盖骨围成坚硬的颅腔，保护大脑免受外力打击；肋骨和胸椎骨、胸骨等围成桶状的胸腔，保护胸腔内的心脏、肺脏和纵隔中的器官、组织；骨盆骨围成的盆腔保护子宫、膀胱等；骨髓腔保护脊髓等。骨骼的保护作用对于保护重要内脏器官免受外力打击和伤害是非常重要的，是不可缺少的。

3.运动　骨骼本身没有主动运动功能，它是在神经支配下，通过肌肉、肌腱、韧带和其他软组织的共同作用下，使身体完成各种运动，如行走、劳动、吃饭等。在完成运动的过程中，骨骼起到杠杆和支持作用，关节连结起到枢纽作用。

4.造血　骨髓是骨组织的重要组成部分，而造血是骨髓最重要的功能。骨髓分为红骨髓和黄骨髓（图2-1）。

红骨髓是人体的造血器官，主要是由血窦和造血组织构成，分布于骨髓腔内，哈弗斯管内也含有少量红骨髓。血窦是进入红骨髓的动脉毛细血管分支后形成的窦状腔隙，造血组织位于血窦之间，其基质是网状纤维和网状细胞，它们构成网架，网孔中充满各种游离细胞，如不同发育阶段的各类血细胞和间充质细胞等。

幼儿的骨髓腔内全部为红骨髓，5岁以后长骨内的红骨髓逐渐被脂肪组织代替，成为黄骨髓。至18岁以后，全身长骨骨干几乎充满了黄骨髓。正常成年人的红骨髓和黄骨髓各占一半。黄骨髓主要分布在长骨骨干，由脂肪组织构成，即骨髓的基质细胞大量变为脂肪细胞，仅有少量幼稚细胞团，其造血功能非常微弱，但仍保持着造血潜能。在某些病理状态下，黄骨髓可重新转化为具有造血功能的红骨髓。红骨髓主要分布在扁骨（颅骨、胸骨、肋骨、髂骨）、椎骨、锁骨、肩胛骨及长骨骺的骨松质中。

5.储存　骨骼内储存人体重要的矿物质，如大量的钙和磷，使骨组织成为机体代谢必需钙、磷的最可靠且永久性的来源，对血液钙、磷浓度起到调节作用。当血液中的钙、磷增多时，便转移储存到骨骼内；当血液中钙、磷浓度降低时，骨骼内钙、磷便释放入血，维持血液内钙、磷代谢平衡。因此，常称骨骼是钙、磷的“储存仓库”。

二、骨组织

（一）骨的构造

骨由骨质、骨膜、骨髓、血管、淋巴管、神经等构成。

1.骨质　骨质是骨的主要部分，骨组织在骨内的存在形式有两种，即密质骨和松质骨。

密质骨（骨密质）又称皮质骨，质地致密而坚硬，耐压性强，由紧密排列的成层骨板构成，分布于长骨干及其他类型骨的表层。松质骨（骨松质）呈海绵状，弹性较大，结构疏松多孔，孔内含有骨髓，成人松质骨亦由板层骨构成。骨小梁的形态不规则，其排列与骨的应力方向一致，可使力向各方分散，所以能承受较大的压力。密质骨和松质骨的分布因骨的种类而异。长骨的密质骨在骨干形成厚的骨管壁，管腔称髓腔。在长骨骺、短骨和不规则骨的表面均为一层薄层密质骨，其内部是松质骨。扁骨的内、外两面各有一层密质骨，分别称为内板和外板，内、外板之间夹有松质骨（图2-2）。

2.骨膜　骨膜是一种致密的结缔组织膜，由纤维结缔组织构成，薄而坚韧，被覆在除关节面以外的骨表面，骨内膜内衬于骨髓腔的内面和骨松质的腔隙。骨膜含有丰富的血管、淋巴管、神经等。骨膜分为内、外两层，外层致密，内含丰富的胶原纤维束；内层疏松，含有丰富的骨原细胞，对骨的生长、再生和修复起重要作用，故又称生发层。

3.骨髓　骨髓充填于骨髓腔和骨松质间隙内，分为红骨髓和黄骨髓两种。胎儿和幼儿的骨髓内含有不同发育阶段的红细胞和少量白细胞，呈红色，故称红骨髓，红骨髓有造血功能。随着年龄的增长，髓腔内的红骨髓逐渐被脂肪组织代替，呈黄色，故称黄骨髓。长骨骺、短骨和扁骨的松质骨内，终生都是红骨髓，因此，临床上选择髂骨和胸骨处穿刺抽取骨髓活检。

4.骨的血管、淋巴管和神经

（1）血管　骨有丰富的血管供应，其血管网络由动脉、静脉和毛细血管构成。血管的分布随骨的生长、塑形改造而变化。关节软骨内无营养血管，其营养来源靠软骨下骨内血管的渗透和关节滑液的渗透（图2-3）。

（2）淋巴管　19世纪，某医学家提出骨内血管周围可能有淋巴间隙，但迄今未能得到证实。

（3）神经　神经伴滋养血管进入骨内，分布到哈弗斯管的血管周围间隙中。其中内脏传出纤维较多，分布到血管壁；躯体传入纤维则多分布于骨膜，骨膜对张力或撕扯的刺激更敏感，故骨折和骨脓肿常引起剧痛。

（二）骨组织的形态结构

骨是由骨组织和骨膜构成的，骨组织是由细胞和细胞间质组成的。骨组织的细胞间质含有大量骨盐，因此骨组织是一种既坚硬又强韧的结缔组织。骨组织不仅具有年龄性变化，并且存在应力性改建，从而保证骨骼对机体的支持、负荷及保护内脏器官等功能的正常。此外，骨组织中的钙和磷不断更新，与机体的钙、磷代谢密切相关。当机体需要时，可以动员大量钙、磷离子入血，或将血中过量的钙、磷离子储存于骨，从而维持血钙、血磷的稳定。

1.骨组织细胞　骨组织细胞包括骨细胞、成骨细胞、骨原细胞和破骨细胞。其中骨细胞最多，位于骨质内，其余三种细胞均位于骨质边缘（图2-4）。

（1）骨细胞　骨细胞是扁椭圆形、多突起的细胞，单个分散排列于骨板内或骨板间，其胞质呈嗜碱性。骨细胞胞体位于骨陷窝内，突起位于骨小管内。相邻骨细胞的突起以缝隙连接相连，离子和小分子物质可通过此连接从一个骨细胞进入另一个骨细胞。骨小管也彼此相互沟通，骨陷窝和骨小管内含有组织液，可营养骨细胞和排出代谢产物。

生理情况下，骨细胞性溶骨和骨细胞性成骨是反复交替的。因此，骨细胞的功能包括两个方面，即平时维持骨基质的成骨作用和从骨基质中释放钙离子入血的溶骨作用。

（2）成骨细胞　成骨细胞又称为骨母细胞，是形成骨组织的细胞，能合成和分泌骨基质，并参与骨的钙化，调节钙、磷离子的骨进出量。成骨细胞来源于骨祖细胞。成骨细胞胞质内的细胞器丰富，有发达的高尔基复合体、粗面内质网和游离的核蛋白小体，线粒体数量多，此外还有溶酶体、空泡和糖原颗粒。成骨细胞具有旺盛的合成与分泌蛋白质的功能。

（3）骨原细胞　骨原细胞又称为生骨细胞或骨祖细胞，是骨组织的干细胞。骨原细胞有分裂增殖和进一步分化成专一功能细胞--成骨细胞或成软骨细胞的功能。骨原细胞将向哪种细胞系转化，虽然影响因素众多，但最主要的因素是氧分压和营养成分的供给。在胚胎期和出生以后的生长期中，骨膜最内层细胞的主要成分是成骨细胞，成年以后则是终身保持生骨潜能的静止期骨原细胞。

（4）破骨细胞　破骨细胞是专门从事骨吸收功能的一种细胞。骨组织被侵蚀溶解称为骨组织重吸收，破骨细胞侵蚀溶解骨组织的作用称为破骨细胞性溶骨作用。破骨细胞具有极强的溶骨能力，一个破骨细胞可以侵蚀溶解由100个成骨细胞形成的骨质。甲状旁腺激素促进破骨细胞数量增加，降钙素则抑制破骨细胞活动。

2.骨细胞间质　习惯上把骨细胞间质称为骨基质。骨基质分为有机质和无机质两种成分。骨基质中的水分极少，仅占骨湿重的8%～9%，这与骨组织的营养由骨陷窝和骨小管系统输送，而不靠基质渗透有关。

（1）有机质　骨有机质的主要成分是骨胶原纤维，即骨胶原，约占骨有机质的90%以上。人的胶原纤维大约50%存在于骨组织内。构成骨胶原纤维的蛋白质主要是Ⅰ型胶原蛋白和少量的Ⅴ型胶原蛋白。

骨有机质中的无定型基质仅占10%左右，主要是蛋白多糖和蛋白多糖聚集体，均由成骨细胞分泌。其蛋白多糖含量远低于软骨。

（2）无机质　骨无机质又称无机盐，成年人占干骨重的65%～70%，其中约95%是钙磷固体，按其含量的多少依次是磷酸钙（约占84%）、碳酸钙（约占10%）、柠檬酸钙（约占2%）等。骨无机质在幼稚骨和新生骨中占45%～50%，而在已成熟的骨骼中占25%～30%，主要以羟基磷灰石结晶和无定形的胶体磷酸钙的形式分布于骨的有机质中。

3.骨的矿化　骨的矿化是指无定形的磷酸钙演变为羟基磷灰石结晶并沉积于骨的有机质间隙内的过程。骨的矿化过程非常复杂，包括细胞内和细胞外两个过程，但关键是磷灰石的成核过程。当成骨细胞合成并分泌骨的有机基质（主要是骨胶原纤维）后，在一定条件下，无机盐（主要是羟基磷灰石）有序地沉积于其内。骨胶原纤维是骨基质中含量最多的有机成分，矿化后的骨基质是无机盐成分，以晶体的针状或板层结构沉着于骨胶原纤维空隙内，因此可以认为，骨胶原纤维为骨矿化提供了基本的结构场所，而羟基磷灰石是骨矿化的物质条件。骨的矿化过程受多种激素，如降钙素、甲状旁腺激素、性激素和活性维生素D等的调控。

三、骨的生长

（一）骨组织发生的基本过程

1.骨组织的形成　骨组织的形成经历两个步骤，第一步是形成类骨质，第二步是类骨质钙化为骨组织。

在胚胎早期，首先由中胚层间充质细胞在将要形成骨的部位转化为前成骨细胞（又名骨原细胞、骨祖细胞），然后分化为成骨细胞，再由成骨细胞进一步成熟为骨细胞。当骨膜形成以后，骨细胞则由骨膜中的骨原细胞逐步分化而来。成骨细胞是骨组织形成过程中最活跃的细胞，具有合成和分泌骨胶原纤维和基质的能力。新生骨细胞尚具有合成和分泌基质的能力，成熟骨细胞则不再合成和分泌基质。

在骨组织形成过程中，成骨细胞先合成骨胶原纤维和有机骨基质，内含唾液蛋白、硫酸软骨素、类脂等。因尚无骨盐沉积，故称类骨质。类骨质逐渐将成骨细胞包埋，埋入类骨质中的成骨细胞则成为骨细胞。类骨质形成后不久即有钙盐沉积。钙盐在类骨质的沉积称为类骨质的钙化。此种钙盐由钙、磷酸根和羟基结合而成，其分子式为Ca10（PO4）6（OH）2，称为羟基磷灰石，其结晶体呈针状，沿骨胶原纤维平行排列。类骨质一经钙化便成为骨组织。随后，在新形成的骨组织表面不断重复上述过程，使胚胎时期和出生后生长发育时期的骨组织不断形成生长。因此，骨组织形成的关键在于类骨质的形成和钙化。

2.骨组织的重吸收　在骨组织的发生和生长过程中，既有骨组织的形成，同时也有骨组织的重吸收。骨在不断增大时，尚需变形以适应胚胎时期其他器官的发育，因此有的骨组织需要通过再吸收以适应新环境的要求。参与吸收过程的细胞是破骨细胞。骨组织被吸收的浅凹，是由破骨细胞侵蚀溶解骨组织造成的。

骨组织重吸收的机制即破骨细胞溶骨，其过程为：由破骨细胞的皱褶缘与亮区共同构成重吸收装置，提供一个局部封闭的微环境；破骨细胞分泌酸性物、溶酶体酶和胶原酶，溶解骨的无机盐和有机质，然后通过皱褶缘摄入破骨细胞内，再排至细胞外液。破骨细胞移动能力强，当一个部位完成骨质重吸收后，可以移至另一部位继续进行骨质的重吸收活动。甲状旁腺激素、前列腺素和破骨细胞活化因子均能促进破骨细胞的溶骨作用和增加破骨细胞的形成。

成骨细胞的骨形成与破骨细胞的骨重吸收是骨组织发生、生长发育过程中不可缺少的两个方面，通过二者相辅相成、不可分割的活动，完成骨的成形和改建。成年后，骨形成与骨重吸收仍缓慢持续终生。在完成骨改建的过程中，若因某种原因出现二者活动不协调，就会造成骨的异常和病变。

（二）骨组织发生的基本方式

由于骨的类型不同，骨组织发生的方式也不同，分为膜性骨发生和软骨性骨发生。膜性骨发生是指从胚胎性结缔组织不经过软骨阶段直接骨化形成骨组织，也称为膜内成骨。软骨性骨发生是指先由间充质形成软骨雏形，在此基础上再进一步骨化形成骨组织，又称为软骨内成骨。

1.膜内成骨　膜内成骨是先由间充质分化成为胚性结缔组织膜，然后在此膜内成骨。人体的顶骨、额骨和锁骨等以此种方式发生（图2-5）。

膜内成骨的具体过程：在将要形成骨的部位，血管增生，营养及氧供丰富；间充质细胞逐渐密集并分裂分化为骨原细胞，其中部分骨原细胞增大，成为成骨细胞；成骨细胞分泌类骨质，并被包埋其中，成为骨细胞；继而类骨质钙化成骨基质，形成最早出现的骨组织。最早形成骨组织的部位称为骨化中心。新形成的骨组织表面始终有成骨细胞或骨原细胞附着，它们向周围成骨，逐渐形成初级骨小梁，构成初级骨松质。随后，初级骨松质周围的间充质分化为骨膜，此后即进入生长与改建阶段。成年后其内部改建仍缓慢进行。

2.软骨内成骨　人体中大多数骨骼，如躯干骨、四肢骨及部分颅底骨等都是由软骨内成骨方式形成，但在骨外膜的内层又有膜内成骨。在软骨内成骨过程中，先由间充质形成透明软骨，当发育到一定程度时，透明软骨逐渐退化，随着血管的侵入，前成骨细胞自软骨膜进入软骨组织，在退化的软骨组织中造骨并逐渐取代软骨组织。下面以长骨为例，详细说明软骨内成骨的过程（图2-6）。

（1）软骨雏形的形成　由间充质形成软骨是软骨内成骨的开始。在将有长骨发生的部位，间充质细胞分化为透明软骨，形成的软骨形状与即将形成的长骨外形近似，故名软骨雏形。软骨外面覆有软骨膜。由间充质细胞转化来的前成软骨细胞分裂增殖，分化成为成软骨细胞。成软骨细胞分泌细胞间质（基质和纤维），细胞自身被包埋其中，变为软骨细胞，形成了透明软骨。软骨雏形经过外加性生长逐渐增粗，并通过由软骨中段开始的、向两端推进的内积性生长不断加长。

（2）软骨的退化　软骨雏形生长到一定程度时，其中段的软骨细胞体积增大，并分泌碱性磷酸酶，导致细胞周围的薄层软骨基质钙化。钙化的软骨基质阻断了弥散性营养供应，导致软骨细胞退化死亡，留下较大的软骨陷窝。

（3）骨领的形成　骨领开始形成于软骨雏形中段的软骨膜下，在软骨雏形中段开始退化的同时，软骨膜周围的毛细血管长入软骨膜，其内层的骨原细胞分化为成骨细胞。由于毛细血管的长入，在氧充足的微环境诱导下，在软骨中段的表面形成薄层原始骨松质鞘，形如领圈，围绕着软骨雏形中段，故名骨领。骨领形成后，其周围的软骨膜改称骨外膜。骨外膜内层的骨原细胞继续分裂、分化，在骨领表面及两端增添新的骨组织，使骨领增厚加长，成为原始骨干的松质骨。

（4）初级骨化中心的形成　发生在软骨雏形的中央部位。在骨领形成后不久，骨外膜的血管连同骨外膜中的间充质细胞、骨原细胞和血液单核细胞来源的破骨细胞等从骨干中段穿过骨领，进入正在退变的软骨组织。破骨细胞首先分解吸收钙化的软骨基质，形成许多与骨干长轴相平行的隧道，称为原始骨髓腔，其内的间充质细胞分化为造血组织。紧接着，骨原细胞不断分化为成骨细胞，附于残留的钙化的软骨基质表面造骨（即在原始骨髓腔的壁上造骨），先后形成类骨质和骨质，形成以钙化软骨基质为支架，表面包以骨组织的原始骨小梁。在骨干内部最早出现此种骨化的区域，称为初级骨化中心，也称为干骨化中心。侵入的血管以后发育为骨的营养动脉及静脉，其穿过骨领的通路称为滋养孔。

（5）骨髓腔的形成　初级骨化中心区形成的骨组织都是原始的骨组织，并且是针状或薄片状的骨小梁。骨小梁相互连接成为原始骨松质，中央部分是钙化的软骨基质。所以在HE染色切片上，小梁的骨组织着红色，而其中央的钙化软骨基质却着蓝色，附在小梁表面的成骨细胞，由于细胞质嗜碱性，也染成蓝色。原始骨小梁的存在时间较短暂，不久就被破骨细胞分解吸收，于是原始的骨髓腔互相融合通联成大腔，称为骨髓腔，其内有血管和造血组织构成红骨髓，在儿童时期有重要的造血功能，到成人时被脂肪组织代替，称为黄骨髓。

此后，骨领的外表面不断有新的骨组织添加，使骨干加粗；而骨领内面的骨组织则以骨吸收为主，因此，在骨干增粗的同时，骨领一直保持一定厚度，骨髓腔则能够得到相应扩大，以适应机体的需要。

（6）次级骨化中心的出现和骺板形成　出生前后，在长骨两端骨骺中出现新的骨化中心，称为次级骨化中心或骺骨化中心。其变化过程基本上和初级骨化中心相类似，都经历四个基本步骤，只是次级骨化中心是向周围呈辐射状扩展，形成的骨小梁交织成网，构成了骨松质。供应次级骨化中心的动脉来自软骨之外，而不是软骨膜。次级骨化中心的出现时间并不相同，大多出现在出生后，少数发生于出生前，同一长骨两端的次级骨化中心的出现时间也有早晚之分。骨化中心的数目亦因骨而异，通常为一个，但骨骺形状复杂者往往不止一个，如股骨近端先后出现三个次级骨化中心。

（7）骨单位的形成和改建　早期的骨干（骨领）由薄层原始骨松质构成，以后逐渐增厚，内部骨小梁增粗，骨质变密。到1岁左右，骨干内部开始有骨单位的发生。骨单位的形成必须具备以下3个条件：①具有管状隧道。②进入隧道的营养血管。③伴随血管进入的骨原细胞等。在骨干外表面出现许多被破骨细胞吸收形成的纵沟，沟内有来自骨外膜的血管及骨原细胞等。首先，骨原细胞分化为成骨细胞，在沟沿上产生骨组织，使纵沟闭合成管，随后在纵沟内的成骨细胞自外向内逐层形成哈弗斯骨板，逐渐缩小的管腔即为中央管，内含血管、淋巴管、骨原细胞等。最内层骨板表面的骨原细胞构成骨内膜。骨干的外表面不断形成骨单位，而内面的原始骨密质逐渐被吸收，从而使骨干不断加粗，骨髓腔逐渐增大。骨骼的增粗在25～30岁停止。当成年长骨不再增粗时，骨干的外、内表面分别形成永久性的外、内环骨板。但骨单位的更新却持续终生，其更新一般是在内、外环骨板之间进行。新骨单位的形成是先由破骨细胞侵蚀吸收骨质，造成重吸收腔，再由成骨细胞成骨。破骨细胞侵蚀吸收的往往是死骨，包括骨细胞因营养不良而致死的哈弗斯骨板和无血管供应的间骨板等。成人的骨单位形成需4～5周，当骨单位接近形成时，骨形成的速率减慢。在人的一生中，通过破骨细胞和成骨细胞的作用，哈弗斯系统不断更新。更新中残留的一些不规则骨板，即为间骨板。骨的改建终生进行，只是速率越来越慢。