骨骼由骨基质组成，它是一种含无机（矿物质）和有机（胶原蛋白等）成分，具有高度异向性，能不断适应机体生理或机械环境变化的特殊结缔组织。随着增龄或某些疾病的发生，骨基质中矿物质和胶原蛋白的性质发生了变化，改变了骨组织的材料属性。当静态、动态或疲劳状态下负荷加载时，骨基质中不同属性的材料之间相互作用，引起了骨骼力学性能异常，而这些异常改变是独立的，与骨组织结构无关。

1.无机物的变化：骨质疏松及其骨折时，无机物（钙磷等矿物质）的丢失，表现出的临床骨密度下降，如今已被人们所熟知。骨密度变化与骨质疏松病变及骨质疏松性骨折风险密切相关，骨密度决定了70%的骨强度，双能X线骨密度仪检测是目前骨质疏松临床诊断的金标准和骨折风险评估的首要选择^［6］，骨密度每减少1个标准差，骨折风险就增加2~3倍^［7］。骨密度越低，骨质疏松性骨折风险越高^［8］。骨密度是那些无骨折病史的绝经后骨质疏松女性骨折风险的最重要预测因素，她们的骨密度与骨质疏松性骨折之间有很强的、持续的相关性^［9］。女性股骨颈骨密度每降低1个标准差，5年内骨折风险增加80%^［10］。尽管骨密度检测临床常用于骨质疏松诊断及其骨折风险评估，但就骨密度与骨折的相关性而言，局部骨密度的高低与同部位骨折相关性更高^［11］。

2.有机物的变化：骨组织中无机物和有机物之间关系紧密，共同影响着骨骼强度。骨基质具有独特的矿化能力，与其他代谢性骨病不同，骨质疏松症的病理特征表现为骨基质材料属性中无机物和有机物的等比例变化。目前骨密度降低所导致的骨质疏松材料属性异常的相关研究较多，但以胶原蛋白为主的有机物病变所致的骨骼损害一直未被重视^［5］。流行病学研究发现，有近一半的绝经后妇女发生脆性骨折时，骨密度降低并未达到骨质疏松的临床诊断标准^［12］，其重要原因在于骨量丢失（无机物减少）固然重要，而胶原病变（有机物减少）也是其重要原因，它是无关于骨密度变化，而直接与骨强度相关的独立因素^［13］。

骨胶原除受三螺旋结构的直接影响外，同样也受到胶原原纤维异常、胶原蛋白含量减少、胶原纤维直径减少以及胶原纤维拉伸性能下降等多因素的影响。骨强度依赖于胶原纤维的取向，而胶原纤维的取向会随着增龄和负荷的方向而改变，胶原纤维的取向是决定骨骼力学性能的主要因素^［13］，胶原纤维取向的改变也会导致矿物质沉积的数量和分布异常而降低骨强度^［14］，这种纤维取向的差异变化是骨骼力学性能的重要特性。胶原质量改变是导致骨骼脆性增加的主要原因。全身因素（衰老、疾病等），尤其是性激素水平降低，可直接或间接地改变Ⅰ型胶原的特性。绝经后骨质疏松症患者，骨量丢失的同时也伴随着有机基质成分的代谢率增加，这种异常的胶原合成速率增加，可导致胶原纤维质量的改变，从而引起骨强度降低，骨折风险增加。

交联是胶原蛋白转译后的主要修饰，直接影响胶原质量。新分泌的胶原蛋白分子，通过在相邻的胶原蛋白分子之间形成交联来稳定结构。交联可分为两类：赖氨酸羟化酶和赖氨酸氧化酶介导的酶交联，以及糖基化和氧化诱导的非酶交联，酶和非酶交联在胶原组织结构稳定性方面具有独特的功能。非酶糖基化（nonenzymatic glycosylation，NEG）是一种与增龄相关的代谢过程，可因衰老、糖尿病等原因而加速，从而导致晚期糖基化终末产物（advanced glycosylation end products，AGEs）的积累。而糖基化仅造成骨骼有机质的损害，不影响矿物质成分。骨胶原中NEG介导的AGEs积累与骨有机质的刚度高度相关^［15］。胶原中的AGEs是影响骨骼力学性能的独立决定因素，胶原中的AGEs过度形成和积累使胶原纤维脆性上升，微损伤增多，骨骼韧性下降^［16］。AGEs分析可较好地预测老年骨质疏松患者的骨强度和骨折风险^［17］。除了酶和非酶交联，骨胶原结构还受到异构化和外消旋作用的影响。胶原基质结构的异构化和外消旋作用是自发的非酶反应，将导致胶原分子结构的改变。异构化是一个缓慢的过程，诱导胶原蛋白的结构异常，破坏胶原蛋白对骨强度的调节功能^［14］。异构化也能干扰酶交联的形成，从而间接影响骨强度。异构化与骨强度之间的关系可能遵循U型模式，即成熟度过高或过低都会损害骨强度^［13］。

人体骨骼的组织结构可以划分为三个功能性区域：皮质骨区域、松质骨区域和皮质-松质骨过渡区域。老年由于皮质骨内膜的过高重建而导致的骨丢失，会扩大皮质-松质骨过渡区域。松质骨和皮质骨所承担的载荷是部位特异性的，并随部位的不同而变化^［18］。认识并重视骨质疏松性骨折不同部位的骨组织结构变化，对其手术方法的确定和植入物的选择及术后近期和远期疗效的预判都有重要价值。

1.松质骨结构的变化：松质骨主要分布在椎体和长骨的干骺端，占人体总骨量的20%，却构成80%的骨表面，松质骨中胶原纤维与骨小梁呈纵轴平行排列，是骨重建的敏感区域。骨质疏松时，松质骨是高转换骨重建的主要受累部位，尤其在早期和中期松质骨的骨丢失十分迅速。骨质疏松的松质骨丢失约占人体骨丢失总量的30%，伴随骨密度的下降，在女性中主要造成松质骨骨小梁的穿孔和吸收，并进一步发展为骨小梁数目的减少，这将导致骨骼承载负荷2~3倍的丧失；在男性中则造成松质骨骨小梁变薄，骨强度下降。临床上椎体压缩性骨折和髋部近端骨折是其最典型的表现，但松质骨骨丢失会随松质骨骨表面的不断减少而减速，直至消失^［18］。

2.皮质骨结构的变化：皮质骨占人体总骨量的80%，但仅构成20%的骨表面，皮质骨直径和厚度（即骨骼大小）显著影响骨骼的机械性能。具体来说，骨骼在无骨密度变化的前提下，皮质骨直径增加1倍，抗弯、抗扭载荷的机械强度将提升8倍^{［18, 19］}。当骨骼受到外力时，皮质骨形态会因外力的大小表现出双线性应力的行为特征，即弹性变和脆性变。弹性变是指在纵向受力时，皮质骨在变形屈服点以下的低水平应变，骨骼可通过弹性变，储存并抵抗所受的应力，从而避免了变形过程中的骨组织微损伤；而脆性变是指在纵向受力时，皮质骨在变形屈服点以上的高水平应变，骨骼变形超出其弹性变化区域，骨组织将以微裂痕的形式出现微损伤。随着增龄，皮质骨中微裂痕的积累呈指数级增长，女性骨骼中微裂纹的积累明显高于男性^［19］。大多数皮质骨丢失发生在65岁之后，皮质骨的丢失速度比松质骨慢，最初是因为它不易被重建，但随着增龄，皮质骨丢失将不断加速，在松质骨小梁逐渐穿孔并消失后，骨丢失几乎完全变成皮质性的，骨质疏松的皮质骨丢失约占骨丢失总量的70%^［20］。值得强调的是，骨质疏松性骨折的发生最终取决于皮质骨，但到目前为止骨质疏松及其骨折关于皮质骨的研究甚少，相关探索应予以重视^［2，18］。

3.骨结构孔隙度的变化：孔隙度代表了骨基质中孔隙的分布、大小和范围，骨骼孔隙是指包括血管供应、骨髓储存、血细胞生成、生化信号、转导和重建过程所需的空间^［5］。孔隙度决定了骨骼对荷载响应的极限强度，包括在骨折前抵抗变形（刚度）、吸收应力（弹性）和吸收能量（韧性）。高孔隙度是松质骨的一个显著且有意义的结构特征，正常情况下松质骨的孔隙度为50%~90%，而皮质骨的孔隙度为5%~10%。孔隙度上升是以牺牲强度为代价的，孔隙度的小幅增加相当于骨量不成比例的大幅下降。相对于具有高度多孔性的松质骨结构而言，皮质骨结构的孔隙度增加对骨强度的损害程度更严重。研究发现，无论在什么部位，孔隙度都是力学性能的主要预测指标。孔隙度增加4%，微裂纹在骨骼中的扩展率增加84%，超过了骨峰值时骨折应力的50%。当孔隙度从4%增加到20%时，骨骼抗变形能力降低3倍。就骨强度而言，皮质骨的薄变和孔隙度增加比骨密度下降更具危害^［18］。皮质骨孔隙度上升是骨质疏松及其骨折骨强度下降的独立预测因素^{［19, 20］}。