3D细胞培养，即三维细胞培养（three-dimensional cell culture，TDCC），是一种细胞培养技术，它涉及将具有三维结构的载体与不同种类的细胞在体外共同培养，使细胞能够在载体的三维立体空间结构中迁移、生长，从而构成三维的细胞-载体复合物。以下是对3D细胞培养的详细介绍：

一、技术原理与模型

技术原理：3D细胞培养技术利用三维结构的载体模拟细胞在体内的生长环境，使细胞能够在更接近自然的状态下生长和分化。

常见模型：

支架三维培养模型：使用各种支架材料（如水凝胶、多微孔支架、纳米纤维支架等）作为细胞生长的基质。

无支架三维培养模型：如悬滴法、旋转培养法和磁力悬浮法等，这些方法不需要支架材料，而是利用物理或化学手段使细胞自然聚集成三维结构。

二、支架材料的选择

在基于支架的3D细胞培养中，支架材料的选择至关重要。理想的支架材料应具备良好的生物相容性、可降解性、适宜的孔隙率和力学性能，以支持细胞的黏附、增殖和分化。水凝胶是一种常用的支架材料，它具有良好的生物相容性和类似天然组织的生物物理特性，能为细胞生长提供优良环境。

三、培养环境的控制

为了确保3D细胞培养的成功，需要严格控制培养环境。这包括：

温度：通常保持在37℃左右，以避免温度过高影响细胞活性。

气体环境：氧气和二氧化碳的比例要适宜，多数细胞在5%二氧化碳的环境中生长良好。

无菌操作：确保无菌工作区域、使用无菌试剂和培养基，防止微生物污染。

四、培养方法的选择与优化

根据实验需求，可以选择不同的3D细胞培养方法。基于支架的方法通常涉及将细胞接种到支架上进行培养，而无支架的方法则可能利用物理或化学手段使细胞自然聚集成三维结构。在实际操作中，可以通过优化培养条件（如细胞密度、培养基成分、培养时间等）来提高3D细胞培养的效果。

五、应用与前景

3D细胞培养技术在多个领域具有广泛的应用前景，包括：

药物筛选和毒性测试：3D培养提供更接近体内情境的环境，使药物筛选更准确。

组织工程：可用于构建各种类型的组织和器官模型，有望改善器官移植和组织修复领域的治疗方法。

疾病建模：如肿瘤球体模型用于癌症研究，以及神经细胞球体模型用于研究神经系统疾病。

器官芯片：在器官芯片技术中的应用，用于模拟整个器官的功能，以更好地理解器官级别的生理学。

六、挑战与展望

尽管3D细胞培养技术具有诸多优势，但仍面临一些挑战，如支架材料的生物相容性和可降解性、培养环境的精确控制、以及3D细胞培养模型的标准化和规模化等。未来，随着材料科学、生物技术和工程技术的不断进步，3D细胞培养技术有望在更多领域发挥重要作用，为生命科学研究和医学治疗提供更多的可能性和机遇。