理想的3D培養模型可以模擬組織特異性或特定于生理、病理生理疾病微在該環境中細胞可以實現增殖，分化。這種模型將包括細胞與細胞，細胞與細胞外基質的相互作用，組織特異性硬度，氧，營養和代謝廢物梯度，以及它們的組合組織特異性支架細胞。
01、無支架培養方式
無支架3D培養方法依賴于自聚集專門培養板中的細胞，如懸滴微孔板，具有超低附著的低粘附力板促進球體形成和微流控芯片允許微流體細胞培養的平板。球狀體特別是多細胞球體，概述關于細胞間接觸的組織和腫瘤的生理特征，如果合成他們自己的細胞外基質，允許自然細胞基質互動。球體的大小取決于細胞的初始數量種子和球狀體可以生長到它們顯示的尺寸，類似于組織的氧和營養梯度。
懸滴法是常見的一種3D細胞培養法，表面不能附著，利用細胞自聚集成球狀體，吊滴可以在帶有開放式無底孔的專用板中創建小液滴。當液滴足夠大，可以使細胞懸浮在培養基中，液滴小利于實驗操作。在懸垂滴板中培養幾天細胞可以實現腫瘤細胞的微環境，形成幾層，由氧、營養物質、PH和代謝廢物能夠成為梯度進入或送出。
低吸附力球形培養板，半球形的底部結構減少細胞附著面積，更利于細胞自發聚集成球，可以直接在球形板中擴大細胞生長，不需要轉板。使用96孔或384孔板培養細胞的起始量更多。球形板降低細胞附著，利用成球，因為培養的體積較大，可以培養的細胞數更多，適用于腫瘤細胞研究。
磁懸浮法是一種新型的3D細胞培養方法，是利用磁性的吸引來形成球形細胞，細胞預裝磁性納米粒子，在外部施加的磁場朝著空氣或液體漂浮的低吸附板的界面來促進細胞的聚集和球形的形成。此方法常用來在各種組織細胞中產生球體，形成多細胞間充質干細胞球體。
02、有支架培養方式
基于腳手架的培養技術可提供物理支持，從簡單的機械結構到類似細胞外間質類似物，細胞可以在支架上聚集，增殖和遷移。基于支架的3D培養中，細胞被嵌入到基質中，基質的物理化學性質會影響細胞的特性。支架可以是天然的也可以是人工合成的，注意粘合性、硬度和負載能力。在一些支架中，生長因子，激素或其他生物活性分子可以被嵌入來增強細胞增殖或促進特定的細胞表型。因此，在一些特定用途上的3D細胞培養選擇支架時要考慮材料的特性和物理因素，如培養物中的孔隙率，剛度和穩定性，生物學特性如細胞相容性或粘附性。硬質聚合物可以提供在專門組織中發現的物理支持，例如皮膚，肌腱或骨骼等。
天然來源的水凝膠，被廣泛用于體外3D細胞培養應用。水凝膠是由交聯的多聚鏈或復雜的天然或合成蛋白分子組成的網絡構成。由于含大量水，水凝膠具有和天然組織非常相似的生物物理學特性，因而可以作為高效的3D細胞培養基質。水凝膠可以單獨或和其他技術（如固體支架、可通透支持物、細胞微陣列和微流體設備）聯用。在3D培養系統中水凝膠有多種使用方法：包括為固體支架在內的多種細胞培養表面做包被，也可以將細胞包裹或夾在基質中間。水凝膠基質中細胞的形態、生長和功能取決于生物物理學和生物化學特性，以及如通透性和基質硬度在內的物理特性。
天然來源的細胞培養水凝膠通常由蛋白和ECM成分（如膠原、層纖連蛋白、纖維蛋白、透明質酸、殼聚糖等）構成。由于來源于天然成分，存在多種有助于多種細胞存活、增殖、功能實現和發育的內源因子，這些凝膠本身具有生物兼容性和生物活性，有利于細胞功能的完成。
經過精心設計的合成水凝膠可用作3D細胞培養支架，因其可以模仿生物ECM的特性，可以通過粘合來界定功能位點，如蛋白水解位點和嵌入生長因素，以其清晰的化學和物理特性，具有可調的機械性能和所需的剛度或孔隙率。合成水凝膠可以分為非天然和天然聚合物，聚乙二醇（PEG），聚乳酸（PA），聚乙醇酸（PGA）和其他非天然聚合物水凝膠具有比較便宜，相對惰性，可重現的材料特性，通過合成或交聯易于調整結構，并且是可復制的，可以獲得一致的結果。然而，非天然聚合物缺乏粘合部分在天然ECM中需要生物肽交聯腳手架以改善功能。PEG凝膠及其衍生物已用于多種3D細胞培養應用，包括干細胞分化，細胞侵襲和血管生成。
3D細胞培養設計支架需要考慮的重要問題就是支架內部結構的尺度和局部解剖結構。體內的ECM提供著支撐細胞的錯綜復雜的納米級基礎結構，指導性地控制著細胞的行為。結合在微尺度結構支架上的細胞會像培養在扁平表面一樣變平并擴散。細胞環境的地貌即便發生了細微的納米級變化也會導致不同的細胞行為。除了大小和結構，用于構建的材料、表面化學特性、基質硬度、通透性和機械力都會對細胞粘附、生長和行為產生顯著的影響。
目前，合成硬的支架和微模型微孔板常應用于組織再生重建骨骼，韌帶和軟骨天然物理和環境結構，用于皮膚，血管，骨骼肌或中樞神經系統組織以及用于臨床前體外3D腫瘤或工程組織的培養測試。微流體設備專為3D細胞培養設備，在輸送并穩定氧氣和營養物質供應的同時可以清除代謝廢物做好應用。微流體裝置可以模擬細胞中體內發現的剪切力，像內皮細胞一樣暴露在血流中，作為模仿ECM的支撐基質。微流體裝置可以支持持續使用藥物或可溶性小分子，比如在不同類型的和不同隔間之間細胞進行生長因子或流體交換。