尽管现在出现了各式各样的3D培养系统，天然ECM水凝胶依然是最有影响力的体外3D细胞培养方法。许多新式的3D培养系统针对于特定类型的细胞优化，但却未能为各种应用进行优化。而且，细胞分化和肿瘤发生过程中的许多复杂生物学过程尚未明确，因而构建额外分离与添加的特定生物成分的培养体系非常困难。
体外3D细胞培养模型正变得越来越复杂，并逐渐运用到了支持细胞生长、组织形态发生、干细胞分化、疾病模型、药物发现及毒性测试当中。显而易见的是，各种具有不同特征的3D模型需要满足具体细胞类型或应用的需求。
迄今为止，许多复杂的肿瘤发生、干细胞分化和类器官发生的3D模型使用了天然ECM基的水凝胶，如CorningMatrigel基质或胶原。将最新的科技（如微阵列芯片、微流控系统、生物打印）和生物相关的材料，如Matrigel基质，结合起来，可以用于协助扩大化，实现某些复杂3D细胞培养模型的高度可预测化，也有利于相关药物筛选试验和毒性测试，还可以为基础研究提供新型的系统和模型。
干细胞和特定体细胞的培养和分化已经得到了令人瞩目的研究成果，这得益于3D细胞培养系统的使用。干细胞，尤其是多能干细胞（PSC），具有生成体内任何类型细胞群的巨大潜能。纯前体细胞群或终分化的细胞，尤其是难以从组织中分离出来的细胞，对药物发现、细胞治疗和组织再生具有巨大的价值。
最近，在使用3D培养系统进行干细胞分化的领域取得了巨大的突破，包括体内信号通路发展和时间控制。值得注意的是，在Koehler及其同事进行的一项复杂研究中，小鼠胚胎干细胞（mESC）在含有CorningMatrigel基质的培养基中作为漂浮细胞团培养时，成功地分化成内耳感受上皮细胞。在感受上皮细胞中，自发产生了内耳中具有天然机械敏感毛细胞结构和功能特性的毛细胞。这一新型的方法有助于阐明控制内耳发育的复杂机制，并可用于体外疾病模型的建立、药物发现及细胞疗法。
近期研究实现了从干细胞衍生为肾细胞谱系。Morizane等发现在使用CorningMatrigel基质对mESC进行3D培养时，它可分化为复杂的肾小管细胞。Xia等将hPSC分化为肾前体样细胞。通过构建3D培养系统，这些细胞进一步成熟为输尿管芽结构，在这一系统中，分化的人细胞和鼠细胞一起组装并结合为嵌合的输尿管芽。这两项研究发现了在构建肾发育模型中的关键步骤，并共同阐明了用于支持高度组织化器官细胞分化的3D系统的重要性。
干细胞分化的另一个重大进步就是自组织3D迷你器官（类器官）的形成。类器官中可看到明显的组织细节，并具有体内器官中多种类型细胞的功能特性。最近已出现了许多使用由CorningMatrigel基质组成的3D模型开发出的肠、视网膜、胰腺、乳腺、结肠和大脑组织的类器官。类器官的体外培养朝着阐明器官发育原理和遗传病发病机制跨出了一大步。
