3D体外细胞培养模型

自体外细胞培养技术自创立以来，已在生物学和医学领域得到广泛应用。常见的体外培养模型包括2D和3D细胞培养。

2D培养是指细胞在二维平面上单层生长，模拟细胞间相互作用。但该方法存在一些局限，如细胞异质性、营养不均、细胞与基质的互动不自然，导致细胞存活率低、形态受损，且缺乏正常组织结构。

相比之下，3D细胞培养通过生物支架材料构建三维结构，模拟体内细胞生长环境，使细胞表现出更接近生理条件下的行为与功能。

它在一定程度上弥补了2D培养和动物模型的不足，尤其在降低成本、缩短周期和减少物种差异性方面具有优势。

1.    3D细胞培养方法

目前，常用的3D细胞培养方法包括球体悬浮培养、微流控培养、仿生支架培养、三维生物打印和水凝胶支架培养等。

每种方法都有其独特的优势与局限性。

球体悬浮培养不依赖外部支架，但可能影响细胞活力；

微流控培养能够精确分析细胞行为，但其成本较高；

仿生支架和水凝胶支架为细胞提供了理想的生长空间，但其力学性能和参数控制较为困难；

三维生物打印作为新兴技术，具备较强的组织形成能力，且应用前景广阔。

3D细胞常用培养方法优势及局限性

名称	方法细节	优势	局限性
球体悬浮培养法	应用浮力或者搅拌的方法使细胞聚集成球体	无需支架材料支撑	流体的湍流和剪切力会对细胞造成一定的损害，使细胞死亡或者活力降低
微流控体系培养法	通过在微流控芯片上建立纳米级的通道，对通道中的流体进行精准操控来实现细胞的3D培养	提高分析细胞行为的准确率，集成微型化，高通量	成本较高
仿生支架模型培养法	应用仿生材料模拟细胞外基质，并构建三维支架	为新生组织提供合适的生长空间和足够的机械支撑，并能够介导细胞间的信号传递和相互作用，诱导组织形成	支架内部结构性能无法在制造前进行评价，孔隙率、连通性等参数在制造过程中也难以控制
水凝胶支架培养法	将水凝胶体系作为细胞3D培养的支架，同时也可以作为生物活性物质的运载工具	室温下稳定、中性酸碱度、透明、透水、可以兼容不同的成像系统、细胞回收简单方便，可进行动物注射用于体内研究	单一组分凝胶刚度受凝胶浓度影响，并影响力学作用下细胞的位移和变形
三维生物打印技术	利用生物墨水作为载体直接搭载细胞或生物活性因子进行三维生物打印	能将负载一种或多种细胞和生长因子的生物墨水，打印成具有复杂三维结构的仿生组织或器官，并发挥一定的功能	在实现人体器官组织功能化方面仍需进一步探索

2.    3D细胞培养支架材料

在3D细胞培养中，支架材料不仅为细胞提供了增殖和分化所需的微环境，还充当生长因子的载体，对组织工程再生起着至关重要的作用。

因此，选择合适的支架材料至关重要，以更好地模拟体内环境。

目前，常用的3D培养支架材料主要分为天然材料和合成材料两类。

天然材料来源于动植物或人体，包括透明质酸、壳聚糖、藻酸盐、明胶和胶原蛋白等。

它们具有良好的生物相容性和低免疫原性，但难以大规模生产。

合成材料则通过两种或多种物质复合而成，具有特定的综合性能，如聚己内酯、聚乙二醇、聚乳酸和聚乙烯醇等。

虽然合成材料可以精确调控支架的性能，但某些材料可能对细胞有毒性，产生不利影响。

天然材料及合成材料优缺点

	优点	缺点
天然材料	主要来源于人以及动植物的机体，许多内源性物质对细胞的生长具有促进作用，具有良好的生物相容性，对细胞毒性很小，容易降解，免疫原性较低。如：①透明质酸对细胞运动、黏附、增殖和组织结构化有促进作用；②壳聚糖则具有良好的生物相容性、最小的免疫原性和抗菌特性，已被广泛应用于伤口愈合、软组织工程中；③明胶因易形成凝胶以及与细胞间有良好的相互作用，被广泛用于细胞培养中；④胶原蛋白具有很好的凝血作用，可用于伤口止血，以不同的形式已被广泛应用在生物医疗领域；⑤琼脂糖、丝素蛋白、硫酸软骨素等均凭借自身独特的优势被广泛应用在细胞外基质的构建中	有很大的批次性差异，难以实现大规模生产
合成材料	能够根据不同的应用对支架的硬度、孔隙率和微观结构进行精准的调控。如：①聚己内酯具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒性，已被广泛用作医用生物降解材料；②聚乙二醇具有生物相容性好、无毒、免疫原性低等优点，经常被用于研究细胞和微环境相互作用的关系当中；③聚乳酸具有良好的生物相容性和降解率，机械强度高，化学稳定性好，是骨组织工程中常用的材料之一；④聚乙烯醇通过反复冷冻-解冻法形成的水凝胶在室温下稳定，并且具有高弹性	聚乳酸的酸性降解副产物会引起炎症反应，聚乙烯醇化学剂交联会使凝胶具有一定毒性，且多数情况下不可降解，限制了其在体内的应用