2.3 人工合成高分子材料
人工合成高分子材料可以通過分子設計等手段精確的控制其性質，也可以通過化工生產得到大批量性質基本相同的產品。相對于天然材料，更利于進行標準化的生產，力學強度也較好，但是生物相容性還有待提高，目前比較常用的辦法是通過表面修飾在材料表面引入生物活性因子。合成高分子材料包括聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)及其共聚物(PLGA)、聚己內酯等脂肪族聚酯，這類聚合物具有良好的可塑性，可通過模塑、擠壓、溶劑澆鑄等技術加工成各種結構形狀，但也存在缺點：①親水性差，細胞吸附力較弱。②易引起無菌性炎癥的發生，同時聚合物降解易引起局部pH值下降。③機械強度不足。④其它：殘留有機溶劑的細胞毒作用，以及可能引起的纖維化及與周圍組織的免疫反應等問題。
目前，在人工合成的高分子材料中，PLGA的應用及研究最為廣泛。其具有良好的生物降解性及生物可吸收性，它的結構通式為[-OCH(R)CO-]，體內降解的最終代謝產物為C02和H20，不在體內蓄積，沒有毒副作用，能決定新生組織、器官的形狀，為細胞提供獲取營養、氣體交換、廢物排除的環境，為細胞增殖繁衍提供空間，在美國已獲FDA批準并應用于臨床。PGA具有高降解速度、PLA具有高強度及PLGA具有低降解速度和高藥物透過性等特點，故可以在高分子設計的基礎上合成一系列具有不同降解速度及力學性能聚和物，通過對材料組分、組成比、分子量、分子量分布等的控制，可以調節材料的生物降解速度在幾周至幾年間變化。
雖然人工合成的可降解高分子材料本身對細胞親和力弱，往往需要引入適量能促進細胞黏附和增殖的活性基團、生長因子或黏附因子等。但其降解速度和強度可以調節，易構建高孔隙率三維支架。同時相比較天然生物材料，其可以在常溫下保存，更簡單且易操作。
日前，由美國3DBiotek公司新進研究出一款由聚己內酯（PCL）合成的可生物降解的三維支架，該材料已被應用于許多美國FDA批準使用的外科植入物當中。相較其他人工合成的高分子三維支架，此款三維細胞培養產品具有100%的孔隙聯通性，以及可以精確控制的孔徑和孔隙結構，使不同批次產品具有高度的一致性。另一方面，此款產品具有較好的抗壓性，細胞可在其上進行很好的增殖、分化，是適合市場需求的一款簡單易用型3D培養產品。
3 三維細胞培養的應用
3.1 組織工程
組織工程(TissueEngineering)是近年來正在興起的一門新興學科，“組織工程”一詞最早是由美國國家科學基金會1987年正式提出和確定的，即：應用生命科學和工程學的原理與技術，在正確認識哺乳動物的正常及病理兩種狀態下的結構與功能關系的基礎上，研究、開發用于修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷后的功能和形態生物替代。組織工程的核心為：建立細胞與生物材料的三維空間復合體，即具有生命力的活體組織，用來對病損組織進行形態、結構和功能的重建并達到永久性替代。
成熟的軟骨細胞和干細胞被廣泛用于三維細胞培養，以再生損傷的軟骨、骨、韌帶、肌腱和膝關節半月板。在培養系統中常加入一些生長因子，以刺激分化，產生組織。Spitzer將兔造骨前體細胞在附有7.5％磷酸三鈣(alpha-TCP)的血纖維蛋白內培養53天，用無alpha-TCP組作對照，結果顯示這種系統能有利于體外骨的形成。Quarto等報道了應用自體骨髓間充質干細胞和羥基磷灰石構建的組織工程化人工骨修復骨缺損獲得了成功。國內也有人以I型膠原及殼聚糖制備出適于組織工程皮膚構建的三維支架，其從大鼠皮膚中分離出具有穩定生物學性狀的真皮成纖維細胞(Fibroblasts，Fbs)種植在該支架中進行聯合培養，結果發現組織工程皮膚構建過程中，種子細胞與三維多孔支架間的相互作用類似于體內正常組織中細胞-細胞外基質間的動態相互作用。
利用三維技術模擬天然的心臟復雜結構仍然是醫學難題，在最新的研究中，美國明尼蘇達大學心血管修復中心的Doris Taylor教授和同事采取了脫細胞化的方法，使用天然心臟的脫細胞基質做為平臺制造人工心臟。研究人員首先將大鼠和豬心臟中的細胞全部移除，只留下細胞外基質做為三維支架，向其中注入新生大鼠心臟“祖細胞”（progenitor cells），在實驗室中進行體外培養，成功制成了大鼠和豬的人工心臟。四天后，觀測到收縮；八天后，新心臟開始搏動。全球患有心力衰竭等嚴重心臟疾病的人數以萬計，每年有大量的患者因得不到合適的捐贈心臟而死亡，這一成果有望為人類人工心臟制備提供新的方法，而且由于新心臟里充滿了受者的細胞，所以產生排異反應的幾率也會降低。此次研究也意味著應用三維培養技術也許可以人工制造任何器官，腎、肝、肺、胰腺等。
3.2 腫瘤模型
腫瘤細胞在一定時間、空間條件下具有特定表型，表現為特殊的結構和生長行為，它與腫瘤的發生、發展密切相關。上世紀七八十年代，科學家開始認識到微環境對腫瘤表型起著重要作用。通過研究腫瘤細胞生長的微環境可以認識特定基因改變與腫瘤細胞惡性表型間的關系。
傳統二維細胞培養只能在二維平面上對細胞進行基因操作，可以了解到特定基因改變對細胞生物學行為的影響，卻不能準確反應腫瘤發生的形態學特點。動物模型雖然可以準確地反映腫瘤發生的形態學特點，但難以進行大規模的基因操作研究，同時也不能對中間的發生過程進行實時觀察。三維細胞培養結合了二維細胞培養和動物模型的優點，在體外構建與體內相近的細胞發育結構系統。因而三維細胞培養除可以模擬腫瘤細胞在體內生長微環境之外，還可以高通量地研究特定基因改變與細胞表型的關系及其生物學行為的變化過程。
三維培養細胞技術的先行者之一——Bissell等利用該技術成功地構建了乳腺癌上皮細胞培養模型，并在乳腺癌的研究中取得重大進展。研究發現，細胞外基質及其整聯蛋白家族受體決定了乳腺上皮細胞的表型，這種作用超過了細胞的基因型對細胞表型的影響。來源于同一種系的正常乳腺上皮細胞S-1和成瘤細胞T4-2在二維培養條件下，兩種細胞在形態和生長速度上差別不大。然而，在三維再造基底膜上培養時，S-1細胞呈現完整的腺泡樣結構，而T4-2細胞則形成巨大的、排列松散、紊亂的侵襲性克隆。當對T4-2細胞克隆群進行B1-整聯蛋白抗體干預實驗，發現T4-2細胞克隆惡性表型被完全逆轉，而且這種表型變化是可逆的，二維培養則無此結果。由此可見，三維細胞培養模型能輔助判斷和選擇特定抑制劑及其組合，以最有效地抑制特定分型的癌細胞的生長，可應用于腫瘤特異性化療藥物的設計，殺死癌細胞或阻止腫瘤的進展。
腫瘤細胞所處的微環境對腫瘤發生發展起重要作用。在體內，腫瘤細胞通過細胞與細胞、細胞與細胞外基質間的信號傳遞維持腫瘤的生長。三維細胞培養技術能模擬體內細胞與細胞間以及細胞與細胞外基質間信號傳遞的微環境，還可以通過技術的改進實現多種細胞的共培養及其與細胞外基質的聯系。盡管在乳腺癌的研究中，三維培養模型比較成熟，但理論上每一種組織、每一種器官都具有各自獨特的微環境。
3.3 干細胞研究
干細胞是一類具有自我更新和分化潛能的細胞群體。近年來，生物學家們已經逐漸意識到：就細胞群體間所具有的生理及病理性作用而言，僅通過二維培養體系很可能會喪失一些寶貴的生物學信息。目前，許多研究已集中于三維培養，利用組織工程和基因工程技術對干細胞進行體外誘導和人工操作，對組織細胞損傷性疾病的替代治療的研究備受關注。但值得指出的是，諸多報道所采用的研究體系均局限于二維平面培養體系，而實際上干細胞在體內的生長、分化微環境應為三維化體系。大量資料表明，干細胞的分化發育及其發育方向，取決于其所處的微環境(microenvironment)。越來越多的研究已表明，只有體外三維培養體系才能更好的模仿干細胞的在體生長模式，才可能為組織工程研究提供更為科學、完整的實驗數據。
魏國峰等嘗試在體外構建了一種能實現胚胎干細胞生長、分化的三維細胞模型，在該模型中以液態膠原為支架，小鼠胚胎干細胞(ESCs)為細胞模型，構建了ESCs-膠原復合體。結果表明ESCs在該膠原條帶所提供的三維培養體系內不但能夠保持良好的生長、增殖狀態，而且彼此間能建立細胞連接，從而形成結構、功能統一體。其還對該膠原條帶內ESCs能否自發性分化為心肌細胞進行了初步檢測。結果表明：ESCs在膠原條帶內能夠分化產生心肌細胞。這些ES源心肌細胞的肌小節結構已經發育成熟，接近于新生鼠心肌細胞的結構。由此可見，三維培養體系不但能支持ESCs的增殖與分化行為，而且還利于分化細胞間彼此建立細胞連接，從而促進其組織化發育。
三維培養體系可以更為真實的模擬在體干細胞的生長方式，而由此所獲取的相關信息將會為哺乳動物發育生物學的相關研究提供更為科學、詳實的實驗數據。
4 小結
在三維培養技術的發展過程中，探索更好的生物材料至關重要，細胞在支架上的生長、移植和內生長率直接依賴于支架的多孔結構、孔隙率、孔的直徑和孔的形狀。高孔隙率提供細胞生長的足夠空間并可促使工程化組織毛細血管網的形成，以滿足其對營養物質的需求。連通的孔也是組織內生長、血管形成和養分供應的必須。孔的連通道必須大于100um，否則組織僅能侵入植入物的表面且組織內不易得到充分的養料。目前為止，仍然沒有一種支架能完全同時滿足目的細胞的黏附、增生、浸潤、持續分化以及提供足夠的機械性能，并滿足在體內支架降解和基質生成相一致的要求。為促進三維培養技術的發展和應用，2003年10月美國國家癌癥研究院設立專門基金研究細胞微環境，計劃投入數千萬美元用于發展三維培養技術。針對不同的組織、不同的應用，具體什么樣的空間結構更有效，是否有更好的生物支架材料還有待進一步研究。