三次元的な細胞培養の主な目的は、創薬の前臨床試験である。。 毒物学研究で、薬物化合物の毒性を試験するのに、三次元細胞培養での実験が、生体を使った実験と同程度であることを示す研究もある。アセトアミノフェン、アミオダロン、ジクロフェナク、メトホルミン、フェンホルミンおよびバルプロ酸の6つの一般的な薬物のLD₅₀値を比較すると、3次元スフェロイドでの実験値は生体を使った実験値と、直接的に相関していた。二次元細胞培養は以前にin vivo試験と一緒に毒性試験に使用されてきたが、三次元スフェロイドは寿命が長いため慢性暴露毒性試験に優れている。3次元スフェロイドのマトリックスは、細胞にアクチンフィラメントを維持させ、細胞骨格の組織化や細胞の極性、ヒト細胞の形状に影響をあたえる。三次元的に配置された培養細胞は、動物実験の利用を減らし、より正確にヒトの生体内の組織に類似する実験のモデルを提供する。
人体を構成する細胞は、栄養素、ガス交換が必要で、そのために血管が必要である。同様に、in vitroでの三次元細胞培養は、液体の循環を必要とし、特に高密度の三次元の培養では、細胞がかたまっているため、内部まで栄養素が充分に供給されない問題がある。これは特に、肝細胞培養において重要である。肝臓は高度に血管がはりめぐらされた臓器である。ある研究では、肝細胞と血管細胞を一緒に培養し、静的および流動的な培養液中で細胞の増殖を比較し、毛細血管のネットワークをもつ組織の必要性を示した。
三次元細胞培養に使用されるバイオリアクターは、三次元で細胞を増殖させる目的で特別に設計された小さなプラスチックの円筒形のチャンバーである。バイオリアクターは、ポリエチレンテレフタレート膜などで、細胞スフェロイドを包み、高濃度の栄養素を維持する環境下に保つ。それらは開閉が容易であり、細胞スフェロイドを実験のために取り出すことができるが、その間もバイオリアクターは100％の湿度を維持することができる。。 この湿度は、細胞増殖および機能を良好に保つために重要である。バイオリアクターは、3次元の各方向に細胞増殖を等しく確実にするために回転するより大きな装置に組み込まれている。MC2 Biotek社は、細胞培養内で高い酸素レベルを維持するためにガス交換をするバイオリアクターを開発した。これは、より高い酸素濃度で細胞を培養でき、正常な細胞呼吸が可能であり、以前のバイオリアクターよりも改善されている。
足場フリーの技術は、足場を使用することとは独立した別のアプローチを採用する。足場フリーの方法には、例えば、ドロッププレート、マイクロパターン化表面、および回転バイオリアクターの使用、磁気浮上、および磁気3Dバイオプリンティングが挙げられ、ほかにもいろいろな技術が開発されつつある。
細胞外マトリックス（ECM）は細胞の生存、増殖、分化、移動に重要なはたらきをする。天然の細胞外マトリックスの構造を模倣するいろいろなハイドロゲルマトリックスは、in vivoを模倣した細胞培養に適していると考えられる。ハイドロゲルの構造には、高い保水性を有する相互につながった細い孔があり、それにより栄養素、ガスなどが効率よく拡散される。天然材料や合成材料由来の数種の異なるタイプのハイドロゲルが三次元細胞培養に利用可能であり、例えば、動物細胞外マトリックス抽出ハイドロゲル、タンパク質ハイドロゲル、ペプチドハイドロゲル、ポリマーハイドロゲル、および木質ナノセルロースハイドロゲルなどが含まれる。
現在、三次元細胞培養で利用できる市販の多数の培養ツールが存在する。一般に、三次元培養の手法は、1）足場の技術と2）足場フリーの技術の、2種類に分類することができる。
1980年代にMina Bissellが、正確なin vitro培養モデルを作成するための3D技術の重要性を示し、三次元細胞培養の研究がはじまった。その研究では、細胞外マトリックスの重要性に焦点が当てられ、健常およびがん性の乳房組織モデルにおける腺房構造などの多細胞構造が生成された。これらの技術は、医薬品化合物に対する細胞応答を評価するためにin vitroで使用される疾患のモデルとして応用されている。
三次元細胞培養（さんじげんさいぼうばいよう、英: 3D cell culture）とは、人工的に作製された環境で、細胞をその周囲の環境と3次元的に相互作用させながら培養させる手法である。 二次元環境（例えばペトリ皿）とは異なり、三次元細胞培養では、in vivoでの細胞と同様に、in vitroで細胞をあらゆる方向に増殖させることが可能である。これらの三次元培養は、通常、バイオリアクターで細胞を成長させ、スフェロイドといわれる三次元的な細胞のコロニーに成長させることができる。バイオリアクターあたり約300個のスフェロイドが通常培養される。
紀元前5世紀に入ると、クリミア半島東部の諸ポリスはシュンマキアと呼ばれる同盟を結び、スキタイ人との戦いに備えた。このシュンマキアの中心となっていたのが、パンティカパイオンというポリスであった。ディオドロスによると、クリミア半島東部では紀元前480年頃から、名門貴族であったアルカイアナクス家が権力を握っていた。しかし紀元前438年頃、トラキア出身と考えられているスパルトコス（スパルタコス）がパンティカパイオンでアルコン（執政官）に就任して主導権を握り、以後彼の子孫が「王朝」を築いた。これをスパルトコス朝と呼び、統一勢力としてのボスポロス王国の原型となった。この王国の主導権をまず握ったのはギリシア人達であったが、その人口は現地人に対して寡少であったと考えられ、当初よりギリシア人と周辺の諸集団との関係をどう位置づけるかは重大問題であった。ギリシア人植民市の周辺にはシンドイ人、マイオタイ人、ダンダリオイ人などが居住していた。彼らは農耕を営む集団であったが、ギリシア人との社会的相違は激しく、ギリシア文化が普及してもなお一元的な統治体制の下に置くことは困難であった。スパルトコスは権力を握ると、パンティカパイオンのアルコンと言う称号とは別に「シンドイとマイオタイの王」を名乗った。集団毎に異なる称号を用いたこの事実は、ギリシア式の権力理念が現地人に適合しなかったことを端的に示す。スパルトコスの死後に王位に就いたサテュロス1世は、ペロポネソス戦争末期に、アテネの支配下にあったとされるニュンファイオンというポリスを手中におさめた。さらに領土拡張を狙うも、紀元前393年にサテュロスはテオドシアとの抗争で戦死した。その後、跡を継いだレウコン1世などの王によってボスポロス王国の支配領域は拡大され、紀元前4世紀末には黒海北岸の殆どをその勢力範囲に収めた。