Les os sont constitués de cellules vivantes (ostéoblastes et ostéocytes) noyées dans une matrice organique minéralisée. Le principal composant inorganique de l'os humain est l'hydroxyapatite, le minéral osseux dominant, ayant la composition nominale de Ca10 (PO4) 6 (OH) 2. Les composants organiques de cette matrice sont principalement constitués de collagène de type I - «organique» faisant référence aux matériaux produits par le corps humain - et de composants inorganiques, qui, à côté de la phase dominante d'hydroxyapatite, comprennent d'autres composés de calcium et de phosphate, y compris des sels. Environ 30% du composant acellulaire de l'os est constitué de matière organique, tandis qu'environ 70% en masse est attribué à la phase inorganique. Les fibres de collagène confèrent à l'os sa résistance à la traction et les cristaux intercalés d'hydroxyapatite confèrent à l'os sa résistance à la compression. Ces effets sont synergiques. La composition exacte de la matrice peut être sujette à changement au fil du temps en raison de la nutrition et de la biominéralisation, le rapport du calcium au phosphate variant entre 1,3 et 2,0 (par poids), et les oligo-éléments tels que le magnésium, le sodium, le potassium et le carbonate étant également a trouvé. Le collagène de type I compose 90 à 95% de la matrice organique, le reste de la matrice étant un liquide homogène appelé substance fondamentale constitué de protéoglycanes tels que l'acide hyaluronique et le sulfate de chondroïtine, ainsi que de protéines non collagènes telles que l'ostéocalcine, l'ostéopontine ou l'os sialoprotéine. Le collagène se compose de brins d'unités répétitives, qui confèrent une résistance à la traction osseuse, et sont disposés de manière à se chevaucher pour éviter les contraintes de cisaillement. La fonction de la substance fondamentale n'est pas entièrement connue. Deux types d'os peuvent être identifiés au microscope selon la disposition du collagène: tissé et lamellaire. Os tissé (également appelé os fibreux), qui se caractérise par une organisation aléatoire des fibres de collagène et est mécaniquement faible. Os lamellaire, qui a un alignement parallèle régulier du collagène en feuilles ("lamelles") et est mécaniquement solide. L'os tissé est produit lorsque les ostéoblastes produisent rapidement de l'ostéoïde, ce qui se produit initialement dans tous les os du fœtus, mais est ensuite remplacé par un os lamellaire plus résilient. Chez l'adulte, l'os tissé est créé après des fractures ou dans la maladie de Paget. L'os tissé est plus faible, avec un plus petit nombre de fibres de collagène orientées au hasard, mais se forme rapidement; c'est pour cet aspect de la matrice fibreuse que l'os est dit tissé. Il est bientôt remplacé par l'os lamellaire, qui est fortement organisé en feuillets concentriques avec une proportion beaucoup plus faible d'ostéocytes par rapport aux tissus environnants. L'os lamellaire, qui fait sa première apparition chez l'homme chez le fœtus au cours du troisième trimestre, est plus solide et rempli de nombreuses fibres de collagène parallèles aux autres fibres de la même couche (ces colonnes parallèles sont appelées ostéons). En coupe transversale, les fibres s'étendent dans des directions opposées en couches alternées, un peu comme dans le contreplaqué, contribuant à la capacité de l'os à résister aux forces de torsion. Après une fracture, l'os tissé se forme initialement et est progressivement remplacé par de l'os lamellaire au cours d'un processus connu sous le nom de «substitution osseuse». Par rapport à l'os tissé, la formation d'os lamellaire a lieu plus lentement. Le dépôt ordonné des fibres de collagène limite la formation d'ostéoïde à environ 1 à 2 µm par jour. L'os lamellaire nécessite également une surface relativement plate pour déposer les fibres de collagène en couches parallèles ou concentriques. Dépôt La matrice extracellulaire osseuse est constituée d'ostéoblastes, qui sécrètent à la fois du collagène et une substance fondamentale. Ceux-ci synthétisent le collagène dans la cellule, puis sécrètent des fibrilles de collagène. Les fibres de collagène polymérisent rapidement pour former des brins de collagène. A ce stade, ils ne sont pas encore minéralisés et sont appelés «ostéoïdes». Autour des brins, le calcium et le phosphate précipitent à la surface de ces brins, devenant en quelques jours à quelques semaines des cristaux d'hydroxyapatite. Afin de minéraliser l'os, les ostéoblastes sécrètent des vésicules contenant de la phosphatase alcaline. Cela clive les groupes phosphate et agit comme les foyers pour le dépôt de calcium et de phosphate. Les vésicules se rompent alors et agissent comme un centre de croissance des cristaux. Plus particulièrement, le minéral osseux est formé à partir de structures globulaires et en plaques.
