Le cellule coinvolte nella formazione del callo si differenziano dalle cellule mesenchimali primitive, che hanno origine dal midollo osseo, dal periostio, dalle cellule endoteliali e dalle cellule perivascolari. Le prime cellule differenziate sono i fibroblasti, che invadono l'ematoma organizzato lungo le gemme vascolari proliferanti, secernendo collagene di tipo III che costituisce la componente fibrosa del callo. Successivamente, attraverso la differenziazione delle cellule mesenchimali primitive in condrociti e la proliferazione dei condrociti, il contenuto di collagene di tipo II e di proteoglicani aumenta rapidamente e iniziano a formarsi isole cartilaginee nella matrice fibrosa. La stabilità del sito della frattura può determinare la quantità di callo cartilagineo formato. Nel processo di guarigione delle fratture non-immobilizzate e non-fissate rigidamente, è presente una maggiore componente cartilaginea, mentre nel processo di guarigione delle fratture a fissazione assoluta, non si osserva quasi nessuna componente cartilaginea.
La formazione del callo osseo avviene attraverso due percorsi: nelle prime fasi della fase di riparazione, si forma nuovo osso trabecolare vicino al vecchio osso; questa formazione ossea in situ non richiede una fase cartilaginea. Le cellule coinvolte nella formazione ossea in situ provengono dal periostio, dall'endostio e da altri siti. In definitiva, questa crescita in situ dell’osso trabecolare e del callo cartilagineo colma le estremità della frattura. Successivamente, nella fase di riparazione, il callo cartilagineo viene gradualmente sostituito da elementi ossei. Ciò si ottiene attraverso l’invasione dei germogli vascolari, la degradazione della matrice cartilaginea da parte degli osteoclasti (o condroclasti), l’ingresso di osteoblasti e la secrezione di proteine della matrice ossea come il collagene di tipo I. Infine, la mineralizzazione forma l’osso intrecciato, determinando una connessione ossea completa tra le estremità della frattura.
La fase di rimodellamento: questa fase prevede il riassorbimento degli osteoclasti e la formazione osteoblastica di nuova matrice ossea. Questi due processi sono interconnessi, ma non si verificano nello stesso sito. Di conseguenza, le porzioni non necessarie dell'osso intrecciato vengono assorbite, mentre le porzioni necessarie vengono rafforzate, lungo il percorso di stress primario dell'osso. Alla fine, vengono sostituiti da osso lamellare di nuova formazione, ricanalizzando la cavità midollare e ripristinando la struttura e la funzione ossea originali.
In condizioni di riduzione anatomica completa e fissazione assoluta, si verifica l'unione diretta tra le estremità della frattura, nota anche come guarigione primaria. Le radiografie dimostrano l'assenza di formazione di callo esterno e la progressiva scomparsa della linea di frattura. La guarigione diretta richiede uno stretto contatto e un'assoluta stabilità delle estremità della frattura. Ciò si basa su un'accurata riduzione anatomica e una fissazione assoluta con viti a trazione o placche di compressione. Tuttavia, al microscopio, un contatto così perfetto tra le interfacce della frattura è quasi impossibile; alcune aree non sono completamente allineate, dando luogo a minuscole cavità tra le superfici di contatto (o eventualmente i punti di contatto). Pertanto, istologicamente, le guarigioni dirette possono essere suddivise in due tipologie:
Guarigione interstiziale: negli spazi stabili (<1 mm), blood vessels and primitive mesenchymal cells ingrow shortly after injury, and osteoblasts differentiate and proliferate within days, depositing osteoid on the fracture surface. In smaller gaps (150-200 μm), lamellar bone forms directly. In larger gaps, woven bone forms first and is eventually completely replaced by lamellar bone. The lamellar bone is remodeled and eventually reconstructed into normal bone tissue.
Guarigione da contatto: nella porzione a stretto contatto delle estremità della frattura, le unità di rimodellamento osseo possono attraversare direttamente la linea di frattura senza formazione di callo interno o esterno. In pratica, in caso di fissazione assoluta come con le placche di compressione, esistono simultaneamente sia spazi che contatti, con l'area dello spazio maggiore dell'area di contatto. Pertanto, la guarigione delle lacune costituisce la forma principale di guarigione diretta.
In caso di fissazione non-rigida, la guarigione della frattura avviene in modo simile alla guarigione indiretta menzionata in precedenza. La fissazione non-rigida comprende il cerchiaggio con filo metallico e la fissazione con banda di tensione, inchiodamento endomidollare, fissazione esterna e alcune placche e viti che non riescono a raggiungere una fissazione assoluta.
Come affermato in precedenza, la guarigione diretta avviene all'interno di un intervallo “stabile”. Tuttavia, in caso di fissazione non-rigida, esiste una "micro-instabilità" all'interno dello spazio della frattura, il che significa che c'è un leggero movimento tra le estremità della frattura, che può indurre il riassorbimento osseo e ampliare lo spazio della frattura. Questo divario ampliato consente principalmente l’unione ossea attraverso la guarigione indiretta. L'ampliamento della fessura della frattura è talvolta molto pericoloso con la fissazione convenzionale con placche e viti. Le placche e le viti stesse possono ostacolare il contatto tra le estremità della frattura, impedendo alla forza esterna di passare attraverso le estremità della frattura e di concentrarsi sulle placche e sulle viti, provocando infine una frattura o un allentamento per fatica. Relativamente parlando, la fissazione del chiodo endomidollare è utile per regolare spazi eccessivamente ampi, mantenere la stabilità delle estremità della frattura e consentire all'arto interessato di sostenere il peso.