Knochen bestehen aus lebenden Zellen (Osteoblasten und Osteozyten), die in eine mineralisierte organische Matrix eingebettet sind. Die primäre anorganische Komponente des menschlichen Knochens ist Hydroxylapatit, das dominierende Knochenmineral mit der nominalen Zusammensetzung von Ca10 (PO4) 6 (OH) 2. Die organischen Komponenten dieser Matrix bestehen hauptsächlich aus Kollagen Typ I - "organisch", bezogen auf Materialien, die als Ergebnis des menschlichen Körpers hergestellt werden - und anorganischen Komponenten, die neben der dominanten Hydroxylapatitphase andere Verbindungen von Calcium und Phosphat einschließlich Salzen enthalten. Ungefähr 30% der azellulären Komponente des Knochens bestehen aus organischer Substanz, während ungefähr 70 Massen-% der anorganischen Phase zugeschrieben werden. Die Kollagenfasern verleihen dem Knochen seine Zugfestigkeit, und die eingestreuten Hydroxylapatitkristalle verleihen dem Knochen seine Druckfestigkeit. Diese Effekte sind synergistisch. Die genaue Zusammensetzung der Matrix kann sich im Laufe der Zeit aufgrund von Ernährung und Biomineralisierung ändern, wobei das Verhältnis von Calcium zu Phosphat zwischen 1,3 und 2,0 (pro Gewicht) variiert und Spurenelemente wie Magnesium, Natrium, Kalium und Carbonat ebenfalls vorhanden sind gefunden. Typ I-Kollagen macht 90–95% der organischen Matrix aus, wobei der Rest der Matrix eine homogene Flüssigkeit ist, die als Grundsubstanz bezeichnet wird und aus Proteoglykanen wie Hyaluronsäure und Chondroitinsulfat sowie nicht kollagenen Proteinen wie Osteocalcin, Osteopontin oder Knochen besteht Sialoprotein. Kollagen besteht aus Strängen sich wiederholender Einheiten, die eine Knochenzugfestigkeit verleihen und überlappend angeordnet sind, um Scherbeanspruchungen zu vermeiden. Die Funktion der Grundsubstanz ist nicht vollständig bekannt. Je nach Kollagenanordnung können zwei Knochentypen mikroskopisch identifiziert werden: gewebt und lamellar. Gewebter Knochen (auch als faseriger Knochen bekannt), der durch eine zufällige Organisation von Kollagenfasern gekennzeichnet ist und mechanisch schwach ist. Lamellenknochen, der eine regelmäßige parallele Ausrichtung von Kollagen zu Blättern ("Lamellen") aufweist und mechanisch stark ist. Gewebter Knochen entsteht, wenn Osteoblasten schnell Osteoid produzieren, was zunächst in allen fetalen Knochen vorkommt, später jedoch durch elastischeren Lamellenknochen ersetzt wird. Bei Erwachsenen entsteht gewebter Knochen nach Frakturen oder bei Morbus Paget. Gewebter Knochen ist schwächer mit einer geringeren Anzahl zufällig orientierter Kollagenfasern, bildet sich jedoch schnell; Für dieses Erscheinungsbild der Fasermatrix wird der Knochen als gewebt bezeichnet. Es wird bald durch Lamellenknochen ersetzt, der in konzentrischen Schichten mit einem viel geringeren Anteil an Osteozyten am umgebenden Gewebe hoch organisiert ist. Lamellenknochen, der im dritten Trimester beim Menschen beim Fötus zum ersten Mal auftritt, ist stärker und mit vielen Kollagenfasern parallel zu anderen Fasern in derselben Schicht gefüllt (diese parallelen Säulen werden Osteone genannt). Im Querschnitt verlaufen die Fasern in abwechselnden Schichten in entgegengesetzten Richtungen, ähnlich wie bei Sperrholz, was die Fähigkeit des Knochens unterstützt, Torsionskräften zu widerstehen. Nach einer Fraktur bildet sich zunächst gewebter Knochen, der während eines als "Knochensubstitution" bekannten Prozesses allmählich durch Lamellenknochen ersetzt wird. Im Vergleich zu gewebtem Knochen erfolgt die Bildung von Lamellenknochen langsamer. Die geordnete Ablagerung von Kollagenfasern beschränkt die Bildung von Osteoid auf etwa 1 bis 2 um pro Tag. Lamellenknochen erfordern auch eine relativ flache Oberfläche, um die Kollagenfasern in parallelen oder konzentrischen Schichten zu legen. Ablagerung Die extrazelluläre Knochenmatrix wird von Osteoblasten abgelegt, die sowohl Kollagen als auch Grundsubstanz absondern. Diese synthetisieren Kollagen in der Zelle und sezernieren dann Kollagenfibrillen. Die Kollagenfasern polymerisieren schnell unter Bildung von Kollagensträngen. Zu diesem Zeitpunkt sind sie noch nicht mineralisiert und werden als "Osteoid" bezeichnet. Um die Stränge herum fallen Calcium und Phosphat auf der Oberfläche dieser Stränge aus und werden innerhalb von Tagen bis Wochen zu Hydroxylapatitkristallen. Um den Knochen zu mineralisieren, scheiden die Osteoblasten Vesikel aus, die alkalische Phosphatase enthalten. Dies spaltet die Phosphatgruppen und fungiert als Brennpunkte für die Calcium- und Phosphatablagerung. Die Vesikel brechen dann auf und dienen als Zentrum für das Wachstum von Kristallen. Insbesondere wird Knochenmineral aus Kugel- und Plattenstrukturen gebildet.
