Le ossa sono costituite da cellule viventi (osteoblasti e osteociti) incorporate in una matrice organica mineralizzata. Il componente inorganico primario dell'osso umano è l'idrossiapatite, il minerale osseo dominante, avente la composizione nominale di Ca10 (PO4) 6 (OH) 2. I componenti organici di questa matrice sono costituiti principalmente da collagene di tipo I - "organico" riferito a materiali prodotti come risultato del corpo umano - e componenti inorganici, che accanto alla fase dominante di idrossiapatite, includono altri composti di calcio e fosfato inclusi i sali. Circa il 30% della componente acellulare dell'osso è costituita da materia organica, mentre circa il 70% in massa è attribuito alla fase inorganica. Le fibre di collagene conferiscono all'osso la sua resistenza alla trazione e i cristalli intervallati di idrossiapatite conferiscono all'osso la sua resistenza alla compressione. Questi effetti sono sinergici. L'esatta composizione della matrice può essere soggetta a variazioni nel tempo a causa della nutrizione e della biomineralizzazione, con il rapporto tra calcio e fosfato che varia tra 1,3 e 2,0 (per peso), e anche tracce di minerali come magnesio, sodio, potassio e carbonato trovato. Il collagene di tipo I compone il 90-95% della matrice organica, mentre il resto della matrice è un liquido omogeneo chiamato sostanza di base costituita da proteoglicani come acido ialuronico e condroitin solfato, nonché proteine non collagene come osteocalcina, osteopontina o osso sialoproteina. Il collagene è costituito da fili di unità ripetitive, che conferiscono resistenza alla trazione ossea e sono disposti in modo sovrapposto che previene lo stress da taglio. La funzione della sostanza fondamentale non è completamente nota. Due tipi di osso possono essere identificati microscopicamente in base alla disposizione del collagene: tessuto e lamellare. Osso tessuto (noto anche come osso fibroso), caratterizzato da un'organizzazione casuale delle fibre di collagene ed è meccanicamente debole. Osso lamellare, che ha un allineamento parallelo regolare del collagene in fogli ("lamelle") ed è meccanicamente resistente. L'osso tessuto viene prodotto quando gli osteoblasti producono rapidamente osteoidi, che si verifica inizialmente in tutte le ossa fetali, ma viene successivamente sostituito da osso lamellare più resistente. Negli adulti l'osso tessuto viene creato dopo fratture o nella malattia di Paget. L'osso tessuto è più debole, con un numero inferiore di fibre di collagene orientate in modo casuale, ma si forma rapidamente; è per questo aspetto della matrice fibrosa che l'osso viene definito tessuto. Viene presto sostituito dall'osso lamellare, che è altamente organizzato in fogli concentrici con una proporzione molto inferiore di osteociti rispetto al tessuto circostante. L'osso lamellare, che fa la sua prima comparsa nell'uomo nel feto durante il terzo trimestre, è più forte e riempito con molte fibre di collagene parallele ad altre fibre nello stesso strato (queste colonne parallele sono chiamate osteoni). Nella sezione trasversale, le fibre corrono in direzioni opposte in strati alternati, proprio come nel compensato, aiutando la capacità dell'osso di resistere alle forze di torsione. Dopo una frattura, l'osso intrecciato si forma inizialmente e viene gradualmente sostituito da osso lamellare durante un processo noto come "sostituzione ossea". Rispetto all'osso intrecciato, la formazione dell'osso lamellare avviene più lentamente. La deposizione ordinata di fibre di collagene limita la formazione di osteoidi a circa 1-2 µm al giorno. L'osso lamellare richiede anche una superficie relativamente piatta per posare le fibre di collagene in strati paralleli o concentrici. Deposizione La matrice extracellulare dell'osso è costituita dagli osteoblasti, che secernono sia il collagene che la sostanza fondamentale. Questi sintetizzano il collagene all'interno della cellula e quindi secernono fibrille di collagene. Le fibre di collagene polimerizzano rapidamente per formare fili di collagene. In questa fase non sono ancora mineralizzati e sono chiamati "osteoidi". Intorno ai trefoli il calcio e il fosfato precipitano sulla superficie di questi trefoli, diventando in pochi giorni o settimane cristalli di idrossiapatite. Per mineralizzare l'osso, gli osteoblasti secernono vescicole contenenti fosfatasi alcalina. Questo scinde i gruppi fosfato e funge da focolaio per la deposizione di calcio e fosfato. Le vescicole quindi si rompono e fungono da centro su cui i cristalli crescono. Più in particolare, il minerale osseo è formato da strutture globulari e placche.
