药物发现
由于药物在后期人体临床试验甚至上市后的高损耗率，药物研发的成本变得越来越高。药物研发失败的首要原因就是药效不佳，药物动力学表现不尽如意以及在早期临床前研究包括细胞水平检测和动物实验中未能发现的不利或毒性副作用。这些药物研发方面的困难需要改进临床前实验模型来解决。临床前模型应该能更好地体现特定人类组织和器官疾病的病理学过程以及更精准地预测对治疗药物和毒性筛选的生理反应。
与生理相关的 3D 细胞培养模型是弥补传统 2D 临床前模型和人体内临床研究之间差距的理想选择。虽然几十年来在这方面的研究取得了重要的进展，然而将 3D 细胞培养模型广泛应用到药物研发仍然有许多实际困难。首先，许多 3D 模型还太新，使用该方法所得的数据需要体内实验的证实，以避免对所得结果的误读。此外，由于缺乏标准的实验流程，或是使用异质的、多重的细胞群会造成许多 3D 实验结果不一致。许多 3D 实验难以操作，技术要求高，有可能需要高度专业且不常见的检测手段。此外，一些 3D 基质通透性差或是扩散动力学表现不佳会影响细胞活力和功能性。更严重的是，在某些 3D 支架中细胞复苏和可视性均受到严重影响。另一局限性就是许多 3D 培养模型较难实现自动化或扩大以便高通量筛选。除了这些原因，由于一些 3D 细胞培养系统的成本高的离谱限制了其在药物研发领域的应用。然而，这些限制条件正在积极谨慎地被新技术和改进的 3D 体外实验所克服。
近来，针对体外 3D 实验的悬滴和细胞磁悬浮技术上市，适用于无需基质细胞的悬浮培养。这些试验中使用的液体培养基使用传统显微镜就可观察细胞。药物媒介和可溶性因子的渗透也可以通过该模型实现。
在天然 ECM 来源的水凝胶中，Corning® Matrigel® 基质胶一直以来都是 3D 细胞培养、特别是重建肿瘤膜型的金标准材质。该基质胶最常用的体外 3D 应用就是癌症药物研发过程中的肿瘤细胞侵袭和血管增生（如内皮细胞血管形成)。限制 Matrigel 胶在药物研发中引用的一个原因是如何在高通量 3D 试验中可靠地分装小体积粘性凝胶。最近 Hongisto 等人的一项研究成功地使用 Matrigel 胶构建了高通量 3D 筛选试验。他们用液体操作系统将稀释后的 Matrigel 基质（3 倍稀释）装入 384 孔板中。
最近在微观工程学技术（如微阵列和微流控设备）上的进展有可能会转变当下的药物研发领域。微阵列由一个固体支架组成，支架中小体积的不同生物分子和细胞可以放在特定位置上，以便于多元化研究活细胞及其对刺激的反应。微流控设备操控小容量 (10-9 to 10-6 L) 来制备并精确控制动态液体流动和时间-空间梯度，还能向细胞中传输营养物质和其他化学成分。微流控网络已经和几种其他基质被直接整合到嵌着细胞的水凝胶中，以帮助营养物质和其他可溶性物质高效地在 3D 支架中传输。这些技术的使用能够有效改进肝细胞这类静态培养时生长状态不佳的细胞的存活力和功能。而且，这些技术还能提高通量，并显著降低由于需要低剂量试剂而造成的花费。
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