一、3D細胞培養市場趨勢

傳統細胞培養(2D細胞培養)僅能在培養容器或培養基表面上培養出單層細胞，且此類細胞在型態與功能上與體內細胞有所差異。3D細胞培養技術能提供更接近細胞實際生長的環境，可維持細胞原有型態與功能，延長細胞壽命與穩定性，並且可重現細胞的生長情況，或者建構出接近真實的組織，有助於醫學研究與再生醫療的發展。
隨著癌症和糖尿病等慢性病的盛行率之增長，慢性病治療藥物之需求亦逐步增加。傳統藥物開發須倚靠試驗動物模擬人類疾病，然而試驗動物模型易因物種、疾病機制與藥物反應的差異造成實驗結果不精確，同時在道德上亦有所疑慮。因此，如今國際上傾向採3D細胞培養替代試驗動物。另外，近期各國積極亦投入創新再生醫療技術，例如加拿大政府投入4500萬加元支持加拿大生技公司STEMCELL Technologies發展先進再生醫療技術與生產設備。前述多項因素驅動著全球3D細胞培養市場的成長。根據MarketsandMarkets產業分析報告預估，2022年全球 3D 細胞培養市場規模估計為13億美元，預計2027年時將成長至26億美元，年均複合成長率(CAGR)約為16%。 

二、3D細胞培養技術類型

3D細胞培養依照技術類型可區分為支架型(Scaffold-based) 3D細胞培養、無支架型3D細胞培養、微流體3D細胞培養以及磁力3D細胞培養等。以下簡介這4類培養技術之特性與發展趨勢。技術說明摘要請參閱圖一。

(一) 支架型(Scaffold-based) 3D細胞培養
支架型3D培養技術通常利用生物聚合物(polymeric biomaterials)製成之支架，如水凝膠，並且搭配生長因子與其他營養成份，提供細胞一個可附著、生長以及形成組織的網狀立體構造，以模擬胞外基質(extracellular matrix, ECM)環境。該類技術依照培養機制可進一步細分為下列數種: 

(1) 水凝膠(Hydrogels)
水凝膠為最常見的支架型3D細胞培養技術，由交聯聚合物鍊(cross-linked polymer chains)組成之膠狀物，具有相當高的含水量，且材料特性也與ECM非常相似(因此又稱ECM類似物)，適合用於細胞培養。此外，水凝膠能藉由調整組成成份，例如添加生長因子，以誘導特定細胞生長。然而，從動物組織萃取出來的水凝膠成分，可能會含有雜質與動物病毒，且有品質不穩定以及容易變質等問題。因此，目前正積極開發人工合成之水凝膠，例如使用PEG(polyethylene glycol)，以克服前述問題。

(2) 固態支架
固態支架為利用富含孔洞之基質(porous substrate)，使細胞得以附著、分化與生長，最終形成擬真的組織結構。3D列印、顆粒過濾法(particulate leaching)與靜電紡絲(electrospinning)等技術都能用來生產固態支架，形成不同孔洞大小、材質與特性的支架。支架的孔洞能讓細胞充分接觸養分與氣體，也能排除細胞的代謝廢物。該類技術的主要限制在於難以將細胞分離取出，且立體結構限制了細胞造影，阻礙觀察。
目前在再生醫療應用中，固態支架能用來製作血管、軟骨、韌帶、皮膚、神經與肌肉組織，以修補受損部位，並且在臨床前研究應用中，能作為腫瘤組織的模擬。

(3) 微米構型表面(Micropatterned surfaces)
該類技術為利用微機電製程在細胞培養盤的孔(well)底做出微米尺寸的微圖案與結構。微圖案可以是各種形狀，包括正方形、圓形或者狹縫。當細胞粘附在微圖案上時，會依照微圖案長成特定形狀、大小，並且連結成特定的細胞網絡。或者可在孔的內側表面塗佈塗層，形成低附著表面(low adhesion surface)，使添加到孔中的細胞在培養幾天後，聚集成易分離的3D細胞球體(spheroids)。另外，由於培養盤的底部是透明的，不妨礙細胞影像。
在近期研究發現，利用該技術培養的細胞，相較於傳統的2D細胞培養技術，有著較多的酵素表現量與較高的藥物代謝率，適合用於觀察細胞對藥物的反應。

(二)無支架型3D細胞培養
無支架3D細胞培養為不藉由物理性支持培養3D細胞。該類技術依照培養機制可進一步細分為下列數種: 

(1) 低附著盤
低附著盤為多孔盤(以96或384孔最為常見)，孔的底部常為圓形、錐狀或V形，且塗有有低附著塗層，可促使細胞在孔的中間形成細胞球體。由於低附著盤符合成本效益，且能用於腫瘤細胞大量培養，並可同時試驗多種培養條件，因此為目前最廣泛使用之3D培養技術。

(2) 懸滴培養盤(Hanging Drop plates, HDB)
HDB同樣為多孔盤，但在每個孔底部有個微小的開口。當於每個孔注入細胞與培養液時，會在底部開口處形成懸滴。此開口孔徑經過設計，可以讓細胞在數小時到數天內聚集成長成細胞球體，但也足夠小到能透過表面張力防止懸滴掉落。當細胞球體成長到一定階段時，需要將懸滴移轉到有著更大容量的HDB或者其他容器中，以維持適合的成長環境(如營養與pH值)，並清除代謝物。此外，HDB除了可培養單種細胞以外，在注入細胞的時候調整細胞種類與滴入順序，還能培養成多層球體，且每一層由不同種細胞所組成。
懸滴培養盤為低成本的3D細胞培養方法之一，常被用於幹細胞分化與細胞毒性研究。

(3) 3D生物反應器(Bioreactors)
生物反應器適用在細胞與組織工程量產。反應器中有多個經過設計用以3D培養細胞之塑膠圓筒狀培養槽，並且利用脈動泵(pulsating pump)灌注(perfuse)培養液，提供細胞生長所需的養分。常見3D生物反應器的有旋轉瓶反應器(Spinner flask bioreactors)、低剪應力旋轉壁式反應器(low-shear stress rotating wall vessels)與灌流式反應器(perfusion bioreactors)等。

(4) 3D培養皿(Petri Dishes)
3D培養皿為有著精密結構設計之微米模具(micromold)，可用於製作含有特殊3D結構(如多孔或柵欄式結構)的洋菜膠培養皿。使用時先將融化的洋菜膠倒入模具中，待洋菜膠凝固後，脫模可形成多孔或柵欄結構的培養皿。該技術適合將貼附型細胞培養成球體，且洋菜膠為透明狀，不妨礙顯微鏡的觀察。

(三)微流體3D細胞培養
此類細胞培養方式為利用微流體(Microfluidics)裝置，以灌流(perfusion)方式供應細胞穩定的氧氣與養分，並且移除細胞代謝物。該技術逐漸被廣泛應用在藥物研發、細胞毒性測試、癌症、幹細胞與組織工程研究等應用。微流體主要優點在於細胞樣本與培養液的需求量小，能降低藥物研發與分析的成本。同時，微流體裝置能將細胞培養的繁瑣步驟，包括培養、培養基替換、細胞分離、採樣、檢測等步驟，整合在同一個裝置中，簡化操作流程。且部分微流體裝置材料(如矽氧樹脂)氣體滲透性佳，因此能提供較適合細胞生長的環境並且減少通氣設備的使用。
另外，利用微機電工程與微流體技術，能夠製造出具有複雜結構的微流體裝置來培養細胞，並可發展成器官晶片(Organ-on-a-chip)，以更接近地模擬器官或組織的關鍵結構、功能與生化特徵，進而做為體外疾病模型使用，具有取代試驗動物之潛力。

(四)磁力3D細胞培養
磁力3D細胞培養為先利用帶有磁性的奈米分子標記細胞。接著在培養時，於培養槽或培養盤上方放置磁鐵，吸引培養液中的細胞聚集於磁鐵下方，並且產生交互作用形成細胞球體。因此，該技術無需專門的培養基與支架，即可進行3D細胞培養。另外，利用磁鐵也可以在更換培養容器或者更換培養液時聚集細胞，減少細胞的損失，同時可以將細胞球體吸引至特定位置並且排列成立體結構，實現磁性3D生物列印(magnetic 3D bioprinting)。

三、代表性案例

以下列出三項具有代表性之3D細胞培養技術案例: 

(一) 能快速製作並可模擬人體組織之固態支架培養基-RAFT 3D細胞培養系統
Lonza開發的RAFT 3D細胞培養系統，可在一小時內製作出與人體組織相近之固態支架3D培養基。製作流程為先將待培養之細胞與RAFT系統提供含有膠原蛋白(一種細胞支架)之試劑混和。膠原蛋白為ECM的主要成分之一，可供細胞貼附與生長。接著藉由特殊容器，可將多餘的溶劑吸收，同時將細胞與膠原蛋白濃縮。最後會形成高度約為100微米的圓餅狀培養基。重複前述流程則可創建多層的組織。由於該培養基與人體組織相近，因此適合用來模擬細胞於體內真實的生長情況與交互作用機制。

(二) 由多組器官晶片組成之體外組織培養盤-OrganoPlate
荷蘭公司MIMETAs推出體外組織培養盤-OrganoPlate。該培養盤由許多Organ-on-Chip所組成，且不同型號的OrganoPlate有不同的Organ-on-Chip設計(如3通道、2通道設計)，可以滿足使用者不同的培養需求，例如OrganoPlate Graft可以將組織(如腫瘤或細胞球體)與血管細胞一起培養，重建血管新生(Vascularization)的環境，以研究細胞遷移與血管新生的過程。MIMETAs於2022年4月獲得荷蘭政府的資助，將開發患者特異性(patient-specific)的類器官模型，以推動新型癌症藥物的研發。

(三) 得以改善養分、氧氣分布不均之旋轉細胞培養系統(RCCS)
Synthecon開發了3D生物反應器-旋轉細胞培養系統(RCCS)，可用於培養懸浮和貼附型細胞，並且可以同時培養多種類型之細胞。在培養過程中，RCCS的反應槽會透過旋轉方式，使細胞懸浮於其中培養。旋轉能均勻混和培養液中的養分與氧氣，改善靜態培養(如懸滴培養盤)易有養分、氧氣分布不均且代謝物無法排除，導致細胞死亡的問題。另外，該系統不會產生過多的湍流(turbulence)，干擾細胞球體的生長。

四、限制與挑戰

傳統2D細胞培養技術無法重現人體組織與ECM，常使得研究結果與真實人體試驗有落差。3D細胞培養因能模擬人體組織，有助於癌症與幹細胞研究、藥物研發與毒物學測試、再生醫療研究，並且有著替代試驗動物之潛力。然而，3D細胞培養技術需要的設備與傳統2D細胞培養技術不同，研發與製程設備的高成本，導致許多2D細胞培養的研發單位與相關業者，難以轉型採用3D細胞培養。另外，目前細胞培養過程多採用一次性生產系統，以降低成本、縮短研發時程、減少清洗與消毒的水電消耗。然而一次性生產系統會產生大量的塑膠廢棄物，因此，廢棄物的回收與分解亦為相關業者待克服之重大挑戰。