膝关节骨质增生可使其相关组织如关节软骨、软骨下骨、骨膜、关节囊等，发生相应的病理变化。
1.关节软骨：正常的膝关节软骨表面光滑，边缘整齐、规则，呈蓝白色，与骨紧紧结合；增生早期，关节软骨发生软化，失去弹性和光泽，颜色由蓝白变成浅黄色。关节活动可不断产生摩擦，使软骨发生破裂、剥脱，继而软骨下骨外露。
磨损小的外周软骨面可出现增殖和肥厚，长时间后可出现骨赘。
2.软骨下骨：磨损较大的中央部分的软骨下骨可发生象牙质变，骨质密度增加而硬化，外周承受压力的能力降低，软骨下骨发生萎缩，继而出现囊腔样病变。
3.骨膜：骨膜覆盖在骨表面，为一层致密结缔组织膜，内含血管和神经。膝关节骨赘的形成，可使滑膜出现增殖和水肿，以单核细胞浸润最明显。膝关节内可出现积液，内含较多黏蛋白而显得黏稠。
4.关节囊和肌肉：关节囊为包在关节周围的一层骨面，分为纤维层和滑膜层，而膝关节骨质增生可使关节囊发生纤维变性和增厚，失去原有功能；膝关节组织的一系列变化，可使膝关节周围肌肉产生保护性痉挛，继而出现关节活动受限。
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