由於藥物在後期人體臨床試驗甚至上市後的高損耗率，藥物研發的成本變得越來越高。藥物研發失敗的首要原因就是藥效不佳，藥物動力學表現不盡如意以及在早期臨床前研究包括細胞水平檢測和動物實驗中未能發現的不利或毒性副作用。這些藥物研發方面的困難需要改進臨床前實驗模型來解決。臨床前模型應該能更好地體現特定人類組織和器官疾病的病理學過程以及更精準地預測對治療藥物和毒性篩選的生理反應。
與生理相關的3D細胞培養模型是彌補傳統2D臨床前模型和人體內臨床研究之間差距的理想選擇。雖然幾十年來在這方面的研究取得了重要的進展，然而將3D細胞培養模型廣泛應用到藥物研發仍然有許多實際困難。首先，許多3D模型還太新，使用該方法所得的數據需要體內實驗的證實，以避免對所得結果的誤讀。此外，由於缺乏標準的實驗流程，或是使用異質的、多重的細胞群會造成許多3D實驗結果不一致。許多3D實驗難以操作，技術要求高，有可能需要高度專業且不常見的檢測手段。此外，一些3D基質通透性差或是擴散動力學表現不佳會影響細胞活力和功能性。更嚴重的是，在某些3D支架中細胞復甦和可視性均受到嚴重影響。另一局限性就是許多3D培養模型較難實現自動化或擴大以便高通量篩選。除了這些原因，由於一些3D細胞培養系統的成本高得離譜，限制了其在藥物研發領域的應用。然而，這些限制條件正在積極謹慎地被新技術和改進的3D體外實驗所克服。
近來，針對體外3D實驗的懸滴和細胞磁懸浮技術上市，適用於無需基質細胞的懸浮培養。這些試驗中使用的液體培養基使用傳統顯微鏡就可觀察細胞。藥物媒介和可溶性因子的滲透也可以通過該模型實現。
在天然ECM來源的水凝膠中，Corning Matrigel 基質膠一直以來都是3D細胞培養、特別是重建腫瘤模型的金標準材質。該基質膠最常用的體外3D應用就是癌症藥物研發過程中的腫瘤細胞侵襲和血管增生（如內皮細胞血管形成)。限制Matrigel膠在藥物研發中引用的一個原因是如何在高通量3D試驗中可靠地分裝小體積黏性凝膠。最近Hongisto等人的一項研究成功地使用Matrigel膠構建了高通量3D篩選試驗。他們用液體作業系統將稀釋後的Matrigel基質（3倍稀釋）裝入384孔板中。
最近在微觀工程學技術（如微陣列和微流控設備）上的進展有可能會轉變當下的藥物研發領域。微陣列由一個固體支架組成，支架中小體積的不同生物分子和細胞可以放在特定位置上，以便於多元化研究活細胞及其對刺激的反應。微流控設備操控小容量 (10-9 to 10-6L) 來製備並精確控制動態液體流動和時間-空間梯度，還能向細胞中傳輸營養物質和其他化學成分。微流控網絡已經和幾種其他基質被直接整合到嵌著細胞的水凝膠中，以幫助營養物質和其他可溶性物質高效地在3D支架中傳輸。這些技術的使用能夠有效改進肝細胞這類靜態培養時生長狀態不佳的細胞的存活力和功能。而且，這些技術還能提高通量，並顯著降低由於需要低劑量試劑而造成的花費。