骨形成和其他组织一样，是生物化学和形态发生高度的结合。生骨和血管长入密切相关，因此应有充足的氧和合成的底物供应，以满足能量和合成的需要。在基质合成和钙化中还需要各种酶。
1. 氧分压
　　骨折愈合过程中，当氧供应不充分时，生骨过程由生骨转向生软骨。Clark发现，在移植物中，在那些缺乏或只有中等毛细血管长人的地方只有软骨生成。Bassett 1961年发现，在组织培养中，被空气包围着的一些间质细胞生成骨，而在低氧条件下生成软骨。生骨需要一个适当的氧分压，Shaw等用鸡胚胫骨培养证明，周围氧达到35％时，生骨能力最强，而在5％时则抑制生骨，氧分压达到95％时，胚胎软骨遭到破坏，受到破骨细胞的严重侵蚀。
　　Brighton等于1972年用铂铱合金微电极插入骨折了的腓骨骨痂，测定愈合中的氧分压，发现血肿中氧分压最低(6．25mmHg)，而长骨骨干氧分压最高。在整个愈合过程中有一个梯度变化：软骨骨痂氧分压较低，低氧分压可持续到纤维软骨甚至纤维骨阶段，随着骨成熟过程，氧分压逐渐提高直到基本上和骨干一样。这一结果与骨痂中糖代谢酶的变化模式相符。Heppenstall及其合作者进行了一项骨修复中氧分压的影响的特殊实验，他们将狗的心脏从右向左分流创造了一个慢性缺氧系统，这一心脏分流的狗的主动脉的氧分压由正常的76mmHg，降为42．8mmHg，并观察到这明显延迟了腓骨骨折的愈合，骨痂停留在软骨阶段。
　　报道说富氧治疗对骨折愈合有益，比如促进修复、矿化度高、强度高、加快胶原的形成、增加骨痂和矿物质的量等。但Wray发现，在这些实验中，每天给高含量氧1-2次，而且每天给氧延长到6h，与对照组比较愈合的强度降低了，这一点与在试管中纯氧对骨细胞有毒害的观察一致。另一方面，在0．5大气压下或18000英尺的高空中都使骨折愈合受到损害。因此，氧分压对人体骨折愈合的影响，还没有最后定论。
2. 骨痂的生物化学
　　在骨折修复过程中，骨痂进行着十分活跃的生物合成，因此需要不断提供能量和合成代谢的中间产物。骨痂中的细胞存在着糖无氧酵解和有氧氧化的各种酶系，也存在着胶原和糖胺多糖等基质的合成酶系。由于骨痂中存在着不同的组织，这些组织不断转化，才使骨痂不断成熟，最后达到愈合。这些不同的组织在愈合过程中的功能不同，它们的生物化学特性也不一样。
　　Ara Y．Ketenjian等将家兔胫骨骨折3-14d的骨痂，在高分辨率显微镜下区分为纤维软骨、增生中的软骨、肥大软骨和钙化软骨4个部分。Robert E．Kuhlman将27只新西兰家兔造成单侧股骨骨折，于术后不同时间取出3-4mm骨痂，用液氮冻干后切片，在低能双目解剖显微镜下将形态一致的区域分开，1-3周的骨痂样品都可分为4种主要组织成分骨折后第4天主要是血肿、炎症成分和早期的肉芽组织。Ara Y.Keten将家兔胫骨闭合骨折后3-21d的骨痂中的相同组织成分合并，测定了它们其中不同的酶含量。
从上述两项研究结果可以看出：
　　(1)骨折骨痂从组织学上可以分为未分化的肉芽组织、增生软骨细胞区、肥大软骨细胞区和新生钙化区。这4个区域在组织形态、超微结构和组织化学方面分别与骨骺生长板软骨中的4个区域相似。
　　(2)骨痂中具有活跃的糖代谢和物质代谢的酶，说明骨痂是生物化学十分活跃的组织。
　　(3)纤维软骨区的糖原合成酶、尿酐二磷酸焦磷酸化酶、己糖激酶、磷酸果糖激酶的活性比增生区和肥大区高。这说明在这个区域一方面进行着活跃的糖原合成，另一方面也进行着糖原分解和糖的无氧酵解。因为这里缺乏氧的供应，所以糖的氧化供能靠无氧酵解的方式。增生区和肥大区细胞色素氧化酶、柠檬酸合成酶这些糖的需氧氧化酶明显升高，说明在这些区域葡萄糖以有氧氧化的方式供能。糖的有氧氧化的特点是能够提供较多的ATP供组织利用。说明这些区域发生着活跃的生物化学反应。
　　6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶为磷酸戊糖通路的关键酶，磷酸戊糖通路能够生成磷酸核糖，它是合成核苷酸和核酸的重要原料。因此凡是繁殖旺盛或损伤后修复再生作用强的组织，磷酸戊糖通路都很活跃。骨痂中所有区域的磷酸戊糖通路的酶没有差别，说明它们都进行着活跃的修复和核酸合成过程。
　　关于结构物质合成酶如无机焦磷酸酶和关系到组织周转的酶如酸性磷酸酶，都随着愈合过程中组织的分化而活性增加。乳酸是糖无氧酵解的产物，从乳酸含量与耗氧量的比例可以看出，在软骨时相无氧分解比重大，而在成熟时相这个比例下降。碱性磷酸酶的 活性到钙化区明显升高，并和基质小泡同时出现，说明它们与钙化有关。
　　已知骨骺生长板软骨从形态上可以分为休止、增生、肥大和钙化4个带，并且从休止到钙化带之间有如下变化：①钙化前糖原积累，到钙化带突然消失；②总脂不断升高；③黏多糖由中性逐渐转变为酸性；④碱性磷酸酶活性显著增加；⑤线粒体酶活性逐渐增加，糖酵解酶活性逐渐降低；⑥线粒体数量逐渐增多，线粒体中嗜锇颗粒数量增多；⑦出现细胞外小泡并逐渐增多。对骨痂的研究结果表明，骨痂和生长板软骨中的软骨分化过程在形态上和生化上是相似的。通过有氧氧化酶和无氧酵解酶的比较可以发现，在骨痂和骺软骨中都是随着软骨的成熟向有氧氧化移动。线粒体中聚集着钙，它的出现和增加说明有利于钙化的进行。与生长中骺板软骨相似，骨痂中包含骺软骨中各种类型的细胞。2个组织中的增生软骨细胞带和肥大软骨细胞带都比各自的纤维软骨有较高的细胞色素氧化酶、碱性磷酸酶和谷氨酸-天冬氨酸转氨酶；在纤维软骨中有较高的糖原合成和分解的酶活性；溶酶体酶、过氧化氢酶、6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的分布在各种组织中没有差别。碱性磷酸酶与细胞外基质小泡的出现有关；在肥大和钙化软骨中总脂有所增加。
　　K．s．Ieung等测定了家兔骨折不同时期骨痂中三磷酸腺苷的含量并与正常骨进行了比较。
　　骨折愈合是一个新骨形成的修复过程，像其他组织形成过程一样，需要提供能量和底物。本项研究更直观地说明了这一问题。ATP是组织合成和钙化过程中供能的必需物质。2周骨痂中ATP含量相当于正常生长板中的含量，是正常骨干中的数千倍，说明这时的能量代谢非常高。在此之后，ATP含量骤然下降，说明骨折愈合不同阶段能量代谢水平有很大差别。同时说明用ATP含量作为骨折愈合的指标可能比其他酶的指标更灵敏。同时也说明骨折病人初期加强营养的重要性。
3. 磷酸酶
　　碱性磷酸酶是骨中发现的第1个酶，至今它与成骨细胞的关系，与骨基质合成的关系已了解得比较清楚。这种酶已在成熟中的成骨细胞的胞质中、在骨膜中、骨髓中、在基质形成中的成骨细胞中、在早期骨基质形成中产生的纤维中都有存在。据说随着基质逐渐形成骨，这种酶将从纤维中消失，它的消失表明它的作用已经结束。Bemard用刚开始钙化的胎鼠颅骨精确地定位了碱性磷酸酶在早期钙化中的基质中的位置。在细胞内，它位于高尔基小泡、内质网和细胞膜上；细胞外的位置是基质小泡中、基质中细小的骨结构中，确切地说明这种酶与矿化有关。并说明，碱性磷酸酶由成骨细胞合成，分泌到基质中定位在正在矿化的一定位置上。
　　在骨折愈合的早期，碱性磷酸酶的活性很高，肥大和钙化软骨中的活性最高，明显超前于软骨内骨化。碱性磷酸酶在软组织创伤愈合过程中也存在，在培养中的成纤维细胞也有碱性磷酸酶，这表明它的作用不只是与矿化有关。有人提出碱性磷酸酶有一种磷酸化作用，如果是这样的话，那么它在矿化中的作用可能有一部分关系到能量代谢，这可能是它可以使局部合成的糖原进行无氧酵解的原因。
4. 糖胺多糖
　　糖胺多糖有许多种类，存在于不同的组织间质中，功能各不相同。在骨折愈合过程中，在血肿、纤维骨痂、软骨骨痂和硬骨痂等不同阶段，所合成的糖胺多糖的类型和量也不一样。多数研究一致认为，骨折后骨折部位糖胺多糖的总量迅速增长，1-2周后达到最大。以后含量下降，可能与胶原的大量合成有关。
　　第3天的骨痂中有许多己糖胺，可能来自于糖蛋白，糖蛋白在以后迅速降低。1-2周骨痂中含有透明质酸，以后降低。透明质酸有黏附间充质细胞使其聚集的能力，骨折初期正是间充质细胞聚集分化阶段，透明质酸在这一时期出现有一定的生理意义。
　　Yokobori等分析了骨折后不同时期骨痂中糖胺多糖的合成，发现10-20d的骨痂中合成的糖胺多糖90％为大分子质量的4-硫酸软骨素，其余的为分子质量较小的硫酸皮肤素，硫酸皮肤素在骨折后7d已有明显合成，第10天合成活性最高，一直到30d仍有少量合成。据报道，正常的软骨和骨组织中不含硫酸皮肤素，在骨痂中出现硫酸皮肤素的生理意义尚不清楚。4-硫酸软骨素在骨折后10-20d有大量合成，合成量明显超过硫酸皮肤素，但在骨折后7d和30d几乎没有合成。4-硫酸软骨素由软骨细胞合成，骨折后10-20d正是分化软骨的时期。他们还证明，骨痂中的硫酸软骨素的化学和物理性质更接近于骨基质诱导的骨形成中产生的硫酸软骨素，而不同于胚胎骨骼中软骨内骨化产生的硫酸软骨素。
5．胶原
　　骨折后不同时期，出现的胶原类型也不一样。
　　5．1 炎症阶段
　　在炎症阶段，骨痂的肉芽组织基质有很高的Ⅲ型胶原。总骨痂中溶胶原mRNA的杂交分析指出：骨折后第1周，Ⅲ型胶原mRNA水平迅速增加。在早期的肉芽组织中很少有免疫组化技术可以测出的I型胶原，4周骨痂的新骨膜主要由Ⅲ型胶原组成，没有任何可测出的I型胶原，而正常骨膜却是由I型胶原组成的。这一时期Ⅲ型胶原的合成与成纤维细胞的出现有关。除Ⅲ型胶原之外，肉芽组织中尚含有V型胶原及一些I型胶原，V型胶原与血管一起存在。
　　软骨形成及骨形成都起源于Ⅲ型胶原丰富的基质，免疫组织化学测定证实：在新形成的软骨及首先出现的骨小梁基质中仍留有Ⅲ型胶原。
　　5．2 软骨阶段
　　在骨痂发展的软骨阶段，免疫反应性Ⅱ型胶原和Ⅱ型胶原mRNA迅速增加。Ⅱ型胶原只能为软骨细胞所合成。以后软骨基质为骨组织所代替时，这时没有了软骨细胞，残留的Ⅱ型胶原以小岛的形式存在于新的骨基质中。在这一阶段，透明软骨基质内存在着Ⅱ型胶原和Ⅸ型胶原。
　　随着软骨的出现，新分化的软骨细胞内有I型和Ⅱ型胶原的mRNA。其中I型胶原mRNA反映着前软骨细胞的早期成纤维细胞特性，一旦软骨细胞成熟，I型胶原mRNA即行消失。骨痂内的软骨可通过2条途径而扩张：间充质细胞分化为软骨细胞，以及软骨细胞的增殖。通过分化而扩张时，新形成的软骨细胞含有I型及Ⅱ型胶原的mRNA。一旦成熟，软骨细胞内的I型胶原mRNA就低得检测不出。在软骨骨痂的中心部位Ⅱ型胶原mRNA也变得很低，说明基质的形成或改建即使有，也是很少的。免疫组织化学技术在新形成的基质内也测到了Ⅲ型胶原，表明软骨是沉积在原先存在的纤维基质上，纤维基质在软骨形成之前并未完全降解，所以新形成的软骨有I、Ⅱ、Ⅲ型3种胶原的表达。软骨骨痂中还测出了X型胶原。
　　5．3 骨形成期
　　在修复阶段的早期，有新松质骨形成于断骨的表面，新骨基质主要含有I型胶原，但在骨小梁表面和骨陷窝表面尚有V型胶原。在骨小梁表面的成骨细胞内有高水平的I型胶原mRNA，在骨小梁间的间充质及哈佛管道内有Ⅲ型胶原。早期松质骨基质除I型胶原外还结合抗Ⅲ型及V型胶原抗体，但以后新骨基质仅含I型胶原。
　　虽然愈合过程基质的基因表达主要是通过转录调节，但是还必须涉及不同细胞表型的诱导及维持。各种细胞素及生长因子，调节特异基质分子的产生量。细胞所产生的基质又通过细胞基质相互作用参与表型调节。这种表型调节是不同骨源性成软骨因子及成骨因子的作用环节。