3D細胞培養，即三維細胞培養（three-dimensional cell culture，TDCC），是一種細胞培養技術，它涉及將具有三維結構的載體與不同種類的細胞在體外共同培養，使細胞能夠在載體的三維立體空間結構中遷移、生長，從而構成三維的細胞-載體復合物。以下是對3D細胞培養的詳細介紹：

一、技術原理與模型

技術原理：3D細胞培養技術利用三維結構的載體模擬細胞在體內的生長環境，使細胞能夠在更接近自然的狀態下生長和分化。

常見模型：

支架三維培養模型：使用各種支架材料（如水凝膠、多微孔支架、納米纖維支架等）作為細胞生長的基質。

無支架三維培養模型：如懸滴法、旋轉培養法和磁力懸浮法等，這些方法不需要支架材料，而是利用物理或化學手段使細胞自然聚集成三維結構。

二、支架材料的選擇

在基于支架的3D細胞培養中，支架材料的選擇至關重要。理想的支架材料應具備良好的生物相容性、可降解性、適宜的孔隙率和力學性能，以支持細胞的黏附、增殖和分化。水凝膠是一種常用的支架材料，它具有良好的生物相容性和類似天然組織的生物物理特性，能為細胞生長提供優良環境。

三、培養環境的控制

為了確保3D細胞培養的成功，需要嚴格控制培養環境。這包括：

溫度：通常保持在37℃左右，以避免溫度過高影響細胞活性。

氣體環境：氧氣和二氧化碳的比例要適宜，多數細胞在5%二氧化碳的環境中生長良好。

無菌操作：確保無菌工作區域、使用無菌試劑和培養基，防止微生物污染。

四、培養方法的選擇與優化

根據實驗需求，可以選擇不同的3D細胞培養方法。基于支架的方法通常涉及將細胞接種到支架上進行培養，而無支架的方法則可能利用物理或化學手段使細胞自然聚集成三維結構。在實際操作中，可以通過優化培養條件（如細胞密度、培養基成分、培養時間等）來提高3D細胞培養的效果。

五、應用與前景

3D細胞培養技術在多個領域具有廣泛的應用前景，包括：

藥物篩選和毒性測試：3D培養提供更接近體內情境的環境，使藥物篩選更準確。

組織工程：可用于構建各種類型的組織和器官模型，有望改善器官移植和組織修復領域的治療方法。

疾病建模：如腫瘤球體模型用于癌癥研究，以及神經細胞球體模型用于研究神經系統疾病。

器官芯片：在器官芯片技術中的應用，用于模擬整個器官的功能，以更好地理解器官級別的生理學。

六、挑戰與展望

盡管3D細胞培養技術具有諸多優勢，但仍面臨一些挑戰，如支架材料的生物相容性和可降解性、培養環境的精確控制、以及3D細胞培養模型的標準化和規模化等。未來，隨著材料科學、生物技術和工程技術的不斷進步，3D細胞培養技術有望在更多領域發揮重要作用，為生命科學研究和醫學治療提供更多的可能性和機遇。