一、 前言
過去細胞培養技術只能在平面培養單層細胞。然而平面培養的細胞難以移植，且型態與功能也與體內細胞有所差異。相對來說，3D培養技術能提供更接近生理狀態的環境，保存細胞型態與功能並延長細胞壽命與穩定性，給出更符合現實的實驗結果。

二、 市場發展動態：驅動力、限制、機會與挑戰
(一) 驅動力
(1) 動物試驗替代方法備受關注
過去十年間，由於生活方式改變與人口老化，癌症、糖尿病等慢性病增加許多，慢性病控制與治療藥物的需求增加，促進藥物研發。過去開發藥物時，多半依靠動物模型模擬人類疾病，但除了考量動物福祉，動物模型也容易因物種、疾病機制與藥物反應的差異造成實驗結果不精確。如今各國傾向剃除動物實驗，而3D細胞培養就是具經濟效益的動物模型替代方案。例如瑞士政府在2022年2月禁止動物實驗以及禁止進口經過動物實驗的產品；2021年11月美國通過人道化妝品法案，禁止化妝品在研發過程中進行動物實驗，也禁止相關產品的買賣與運輸；2020年6月中國宣布不再要求化妝品動物實驗，並以其他安全檢測取代。
(2) 個人化醫療需求
為了提供癌症與慢性病患者更有效且更低副作用的療法，藥廠正積極投資個人化藥物研發。3D細胞培養技術有助於個人化藥物開發。因此，預計未來數年內3D 細胞培養產品的需求將會增加。
(3) 再生醫療研究資金湧入
　　目前各國政府與業者積極投入創新再生醫療(regenerative medicine)與組織工程(tissue engineering)的研發，也因此促進3D細胞培養市場發展。例如2022年四月，Satellite Bio為了自身的組織工程技術平台(Satellite Adaptive Tissue, SAT)募資1億1千萬美元，SAT生產的細胞能移植到人體修復受損組織。政府與學研單位也與企業合作開發先進細胞療程技術，如2020年9月馬來西亞國立大學(UKM)與YAKIN Medic以及Ruskinn Technology Ltd兩間企業合作促進幹細胞、組織工程、再生醫療研究。風險投資公司也正投資幹細胞研究，如Versant Ventures成立的Century Therapeutics為誘導性多功能幹細胞療法募資250萬美元，目標是利用誘導性多功能幹細胞開發血癌療程。
(二) 限制
(1) 細胞研究成本高
　　3D細胞培養市場的限制在於缺乏研發設備以及細胞生物學研發的高成本。3D細胞培養技術需要的設備與傳統2D細胞培養技術不同，導致許多仍進行2D細胞培養的單位難以轉型成3D培養。另外，新興療法(包含幹細胞療法與基因療法)的開發，需要有高品質的設備與耗材並且需要遵守監管單位所制定的指導原則，才能有精準且可信服的試驗結果。因此，預算有限的小型公司與學術單位多難以承擔。
(三) 機會
(1) 微流體3D細胞培養技術發展
微流體器官晶片(microfluidic organ-on-a-chip)為將微流體導入3D細胞培養，形成能模擬活器官的微環境，以重現組織介面(tissue interface)、體內化學變化與組織機械構造差異，能夠做為體外疾病模型使用並取代動物實驗。3D細胞培養市場的主要業者都正與藥廠協調合作，將3D細胞培養技術實際應用在藥物開發與相關研究上，借此驗證技術可行性。
(2) 發展中國家法規寬鬆與成本優勢
　　中國、印度、巴西與墨西哥等發展中國家有較寬鬆的法規要求與較低製造成本，因此許多業者積極於發展中國家布局。如Thermal Fisher在2021年3月準備6億美元擴張美國、歐洲與亞洲的生物製造量能。
(3) 器官移植之替代方案
　　傳統器官移植的風險很高，包含排斥反應與器官匱乏，再生醫療能透過3D培養、3D生物列印與微流體技術作出可移植的組織與器官，取代傳統器官移植。
(4) 傳染病流行與疫苗需求
　　最後，傳染性疾病如流感、HIV、肝炎、麻疹、沙門氏菌感染等，在全球發生率上升，疫苗能避免重症與死亡，可預期疫苗需求會持續增加，而疫苗開發過程會仰賴3D細胞培養技術，帶動市場成長。
(四) 挑戰
(1) 產品品質一致性
　　3D細胞培養利用3D支架(scaffold)、生長因子(growth-factor)與生物反應器(bioreactor)模擬細胞外基質(Extracellular Matrix, ECM)結構以及細胞的真實生長環境，培養出盡可能接近自然的細胞或組織。然而，支架與生長因子成份複雜且種類不只一種，影響產品與批次的品質與一致性，是市場的一大挑戰。
(2) 塑料廢棄物處理
　　另一個挑戰為如何處理細胞培養過程產生的大量一次性塑膠廢棄物，一次性的生物生產(bioprocessing)系統能降低成本、縮短研發時程、減少清洗與消毒的水電消耗，受醫藥業青睞，但這些系統多半由多層也結構複雜的PE、PP、乙烯-乙烯醇共聚物或尼龍等成分構成，難以分離回收，造成環境負擔。

三、 COVID-19對3D細胞培養發展之影響
　　為了應對COVID-19疫情，醫藥業加速疫苗與治療藥物的開發，目前已有許多COVID-19疫苗與抗病毒藥物得到認證並進行生產。由於細胞培養是藥物開發與生產的必要技術，可預期會推動細胞培養市場成長。例如，為了以器官模型測試藥物與疫苗功能，業界尋求3D細胞培養產品；以哺乳類動物細胞株培養SARS-CoV-2病毒進行研究；以細胞培養生產抗病毒疫苗。疫情間，政府為確保疫苗安全性，推出一系列嚴格的安全規範，促使相關業者投入細胞培養疫苗的研發與生產。
　
四、 3D細胞培養技術分類與介紹
(一) 支架型(Scaffold-based) 3D細胞培養
支架的材料通常使用生物聚合物(polymeric biomaterials)，如水凝膠，搭配生長因子與其他營養成份，重現ECM並提供細胞一個可附著、生長並形成組織的立體構造。
(1) 水凝膠(Hydrogels)/ ECM類似物(analogs)
這是最常見的支架型3D細胞培養技術，水凝膠是由膠聯聚合物鍊(cross-linked polymer chains)形成的膠狀物，膠聯聚合物的含水量很高，材料特性也與ECM非常相似(因此又稱ECM類似物)，適合細胞生長，還能藉由調整環境組成成份誘導特定細胞生長。但若水凝膠是從動物組織萃取出來的，可能會含有雜質與動物病毒，批次間差異與容易變質的特性促使業界尋求能控制成分的合成水凝膠，人工合成的水凝膠通常利用PEG(polyethylene glycol)作為主要成份。
(2) 固態支架
固態支架為在孔洞性基質(porous substrate)中添加成長因子，使細胞得以附著、分化與生長，最後就會形成一個擬真的組織模型。在再生醫療應用中，支架能用來製作血管、軟骨、韌帶、皮膚、神經與肌肉組織修補受損部位。在臨床前測試中，支架能模擬腫瘤與癌化組織。
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，也能促進細胞排除代謝廢物。固定支架的限制則在於較難分離細胞與立體結構阻礙細胞影像技術。
(3) 微米構型表面(Micropatterned surfaces)
微機電技術能在細胞培養盤的孔(well)底做出微米構造。孔有許多尺寸與形狀，每個孔上會有縫隙(slits)供培養液流通，維持細胞生長。另外，每個孔的表面會有塗層形成低附著表面(low adhesion surface)，因此把細胞加進孔後，細胞會附著在孔的底部並在培養幾天後形成細胞球體(spheroids)，能更容易分離細胞。培養盤的底部都是透明的，不妨礙細胞影像。用這種技術培養的細胞表現的酵素量與藥物反應率都比2D細胞培養好。
(二) 無支架3D細胞培養
(1) 低附著盤
低附著盤由於符合成本效益因此被最廣泛運用，常見的低附著盤是96孔或384孔盤，孔通常是圓形或有錐狀且會有低附著塗層，以促使細胞在孔的中間形成球體。這種低附著盤能用於培養大量腫瘤細胞，一次能處理的實驗條件也較多，受實驗室歡迎。
(2) 懸滴培養盤(Hanging Drop plates)
懸滴的概念是利用微量吸管從培養盤的開口滴入特定量的細胞懸浮液，培養後形成的細胞球體大小會與滴入的細胞量有關。在滴入細胞的時候調整細胞種類與滴入順序還能在一個培養盤能同時培養多個細胞球體(Co-cultured spheroids)。懸滴培養盤是目前最低成本的3D細胞培養方法，常被用於幹細胞分化與細胞毒性研究。
(3) 3D生物反應器(Bioreactors)
生物反應器是用在細胞與組織工程量產，反應器中會有多個獨立的塑膠圓筒狀培養槽，這些可替換的培養槽能高壓滅菌，還會利用脈動泵(pulsating pump)使培養液能充分在支架孔洞中流通，並且維持恆濕。常見的有旋轉瓶反應器(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)。
(4) 3D培養皿(Petri Dishes)
3D培養皿是將培養細胞用的洋菜膠倒入精密的微米模具(micromold)中，洋菜膠凝固後會形成特定的3D結構。而後將整個奈米模具拿去培養細胞，細胞即可在此特定的3D結構中生長。
(三) 微流體3D細胞培養
這技術利用微流體(Microfluidics)技術，在有灌流的狀態下進行細胞培養，供應穩定的氧氣與養分並同時移除廢棄物。這技術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。由於需要的細胞樣本量小還能提升養分吸收效率，能減少藥品用量並降低藥物研發成本。另外，微流體裝置能將細胞培養的步驟，如培養、培養基替換、細胞分離、採樣、檢測等，整合在同一個設備中。微流體有許多不同材質，包含玻璃、聚合物、紙類與目前最常用的PDMS。微機電工程與微流體技術促進器官晶片與3D組織模型的開發與應用。
(四) 磁力生物列印細胞培養
使細胞吞入帶有磁力的奈米分子後，在培養時對培養槽施加磁場，能使細胞在空氣與液體的介面形成細胞球體，免除支架等特殊構造進行長時間培養。若用96孔盤培養帶有磁力奈米分子的細胞，磁力能促使細胞在孔的底層形成細胞球體。磁力也能在更換培養液時固定細胞球體，減少細胞損失。

五、 3D細胞培養技術應用範疇
(一) 癌症與幹細胞研究
2D細胞培養最大的缺點在於無法重現人體組織構造與細胞基質，培養出的細胞型態異常，使得實驗數據與人體真實情形有落差。3D培養法就是以重現真實細胞生長情形為目的而研發的技術。為了瞭解癌細胞的真正的生長原理與藥物反應，3D培養技術尤為重要。另外，幹細胞能被用來治療許多疾病，包含神經退化、創傷與癌症，因此，培養出能正常分化與生長的幹細胞才能成功轉移到人體進行治療。2D細胞培養技術難以培養幹細胞，3D培養能有效提升細胞活性與分化成功率，提升移植效果。
(二) 藥物研發與毒物學測試
藥物動力學(Pharmacokinetic, PK)與藥效學(pharmacodynamics, PD)分析為化學分子作為治療藥物的重要依據。PK分析內容極為複雜，與量化候選藥物的ADME(吸收Adsorption、分布Distribution、代謝Metabolism與排除Elimination)機制有關，若能在藥物研發初期精準預測分析結果，就能減少臨床測試時的藥物損失率。2D細胞培養會導致細胞型態失真，這也會影響到組織構造、訊號傳遞與細胞間作用，若以2D細胞培養測試藥物效果，容易產生與臨床結果相差甚遠的結果，對預測的幫助不大。3D細胞培養能更精準模擬藥物效果，例如有研究指出若癌細胞球體內有多種細胞，會影響抗癌藥物的藥效，而Co-culture能在單一培養槽中同時培養好幾種細胞，適合模擬這種情形，有助於藥物研發。
(三) 組織工程與再生醫療
再生醫療的宗旨就是用人工方式生產有正常功能的活體組織以修復或取代受損組織或器官。再生醫療包含細胞療法、基因療法與組織工程等技術。3D細胞培養為組織工程生產移植用生物材料的關鍵。

六、 代表性案例
(一) Corning Matrigel Matrix (Corning)
萃取自EHS小鼠肉瘤細胞的培養液，是市面上最泛用的培養液之一。Corning Matrigel Matrix富含ECM會有的蛋白質與營養成分，適合用於2D與3D細胞培養，包括神經元、血管內皮細胞、肝細胞與幹細胞培養。可適用於代謝和毒理學研究、神經元分化研究、腫瘤細胞侵襲等癌症研究。
(二) Nunclon Sphera (Thermal Fisher)
這是一款96孔的U型底培養盤，提供低附著材料，讓細胞能盡可能懸浮形成細胞球體，產品介紹特別強調適用於3D癌症模型與幹細胞分化研究，可培養癌細胞測試細胞藥物反應與毒性，也可利用96孔盤構造大量培養幹細胞，並觀察幹細胞分化情形。
(三) MIMETAs Organ-on-chip (MIMETAs)
MIMETAs是在2013年成立的荷蘭公司，積極與大廠合作並在歐美各地建立分公司，並且於2018年拓展至日本。MIMETAs主打一系列的Organo產品，包含培養盤、微流體平台與文章介紹的Organ-on-Chip。Organ-on-Chip是一灌注式晶片培養盤，每個培養盤上的孔(well)會搭配一個有微構造的晶片。客戶還挑選要買空盤，自行培養組織，或者委託MIMETAs訂做已將特定細胞培養好的Organ-on-Chip，使客戶能專注於後續的研究。