所有活的組織都是由細胞組成的。為了研究細胞，科學家將它們從原始組織中分離出來，并在受控的人工環境中生長：這就是所謂的細胞培養。它于1907年首次使用，此后在生物醫學實驗室中變得無處不在。細胞研究已經從2D表面進行到3D配置，以更接近它們在體內的自然3D棲息地：這就是我們所說的3D細胞培養。

1.3D細胞培養的目的

在這份報告中，我們確定了3D手機市場的以下兩個主要目的：
1.細胞療法，或稱再生醫學，包括將生長的細胞移植到患者體內以修復受損組織。這個領域包括幾個研究領域，如圖1所示。

2. 用于藥物發現的三維體外建模，旨在創建模擬活組織的三維細胞模型，以便大部分研究和藥物發現可以在體外進行，而不是在動物(或人類)身上進行。3D體外模型用于臨床試驗前藥物發現的不同階段，如圖2所示。

應該指出的是，細胞培養的另一個基本目標通常是使用細胞產生病毒或抗體。然而，這傳統上是通過2D細胞培養實現的，除了增加產量之外，幾乎沒有動力轉向真正的3D細胞培養形式；因此，本報告僅簡要提到這一點。

聯合市場研究公司估計，截至2015年，全球3D手機市場規模為7.65億美元，預計2022年將增長30%，達到4.691億美元。他們將市場分為4類：藥物發現、癌癥研究、再生醫學和干細胞研究。根據我們更廣泛的分類，我們認為干細胞研究的一部分與再生醫學一起涉及細胞治療。這是因為干細胞可以在體外分化為所需的細胞類型，然后重新植入修復組織。另一方面，我們認為，雖然癌癥和干細胞研究是它們自己的主要參與者，但它們本質上在開發3D體外模型的努力中發揮了作用。因此，我們發現大部分市場為藥物發現的3D體外建模做出了貢獻(圖3)。這在很大程度上是由癌癥研究的重大推動推動的，而這本身也是由于世界各地癌癥發病率的上升而被迫的。

2.3D細胞培養芯片產品種類
根據聯合市場研究，3D細胞培養產品有以下不同的形式(有時可以組合)：
3D多孔支架：細胞生長在1-工程支架或2-天然衍生纖維材料(如膠原蛋白或層粘連蛋白)的毛孔內。
無支架平臺：細胞在沒有支架支持的情況下形成多細胞結構，要么自己形成(例如球體、細胞體)，要么使用細胞片技術。
微芯片：細胞被放置在微芯片隔間內，以形成結構更復雜的細胞微環境，類似于器官(即芯片上的器官)。
水凝膠：細胞被嵌入到細胞外基質的3D凝膠中，如Matrigel。
生物反應器：生物反應器是在局部控制灌流、溫度、濕度和氣體交換等因素的中空圓柱室。細胞被放置在這些生物反應器內的支架中，以促進3D細胞培養。
定制化服務：企業直接為研究人員定制產品。

此外，3D生物打印可以被認為是3D細胞培養的另一種新興格式，這是一種能夠“打印”或將細胞和生物材料逐層定位到所需配置的技術。在所有產品中，基于支架的平臺和微芯片被確定為該領域最大的投資口袋(圖4)。支架產生了最多的收入，因為它們正在成為細胞治療和藥物發現的關鍵，也因為越來越多的材料被表征。微芯片將經歷顯著的增長，因為芯片上的器官將填補創造強大的臨床前模型的空白。請注意，支架和微芯片的生長可能是協同的，因為芯片上的器官通常依賴于支架的使用，如水凝膠。

3. 誰對3D細胞培養感興趣？
聯合市場研究公司估計，2015年美國是3D細胞培養市場最大的參與者，占市場的41%，歐洲占29%，亞太地區占19%，巴西、南非和沙特阿拉伯占11%(圖5)。他們估計，到2022年，美國和歐洲在市場上的重要性之間的差距將會縮小，美國將占35.3%，緊隨其后的是歐洲，占31.5%。

參與3D細胞培養市場的終端用戶主要有三類：生物技術和制藥公司、學術實驗室和合同研究實驗室。到2022年，它們的貢獻將以類似的速度發展。通常，基礎科學是由學術界發起的，但制藥公司將科學發現與藥物和過程化學、藥代動力學和安全性科學聯系起來。據估計，67-97%的藥物開發是由私營公司進行的。

4. 為什么要在3D培養方向發力？

答案很簡單：因為在正常環境中，細胞以三維方式進化！現在已經確定，細胞在3D中的行為與在2D中的行為截然不同。當3D細胞對藥物的反應與2D細胞不同時，該領域出現了一個轉折點，證明了3D細胞培養對藥物測試至關重要。

簡而言之，在3D模式下培養細胞可以使細胞采用與體內相似的形態和遷移模式。重述細胞的正常形態很重要，因為它們的形狀可以直接影響它們的生物活性。在體外忠實地復制遷移模式也是至關重要的，因為細胞遷移是許多疾病(如癌癥)的中心過程，可以作為藥物靶點。更廣泛地說，在3D模式中放置細胞可以有效地增加它們與周圍環境的互動程度。它迫使它們通過整個表面積與微環境(無論是支架、水凝膠還是其他細胞)進行更多的相互作用，就像它們在組織中所做的那樣。這是非常重要的，因為現在已經知道，細胞與其ECM和微環境的相互作用對于許多細胞功能是必不可少的。此外，3D支持系統提供了物理和生化錨定，可以通過工程設計來復制體內條件。組成細胞外基質的硬度、孔徑或配體都可以進行微調，以與感興趣的組織相似。最后，3D細胞培養允許形成和研究更復雜的多細胞結構，如球體、細胞器或微血管系統。

雖然這些都是亟需的改進，但轉向第三維度實際上打開了許多其他維度的探索。在接下來的綜述中，我們總結了3D細胞培養的前景，并揭示了3D細胞培養成為生物醫學領域中更高產量、更安全和更好標準化的技術所需滿足的需求。