水凝膠是由交聯的多聚鏈或複雜的天然或合成蛋白分子組成的網絡構成。由於含大量水，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、生長和功能取決於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、殼聚糖或Corning Matrigel基質）構成。由於來源於天然成分，存在多種有助於多種細胞存活、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，有利於細胞功能的完成。
細胞外基質（ECM）具有多種重要功能。首先，它能夠提供複雜的納米級的結構蛋白架構（如膠原、層纖連蛋白和纖連蛋白），構建細胞微環境中的機械特性。細胞通過表面整合素感受機械力，並結合ECM蛋白，粘附模體。3D系統的細胞粘附會導致並影響一系列的的後續細胞反應，這些反應和2D表面上生長的細胞相比更接近於生理情況。而且，ECM對隔絕可溶性生物分子和生長因子，通過時間和空間上的限制來控制這些信號分子的釋放來指導包括細胞遷移、基質降解和沉積的過程至關重要。
ECM模型重構對於實現組織內穩態，尤其是在發育和疾病過程中，是非常必要的。因此，想要真正地模擬體內的ECM，需要構建具有ECM機械和化學特性的3D培養模型，要考慮到細胞生長和發育的動態和可控過程，而不只是停留在細胞接種的初級階段。
Corning Matrigel 是來源於ECM的天然水凝膠，已廣泛運用於各種體外和體內3D細胞培養中。這種重構的基底膜提取自EHS（Engelbreth-Holm-Swarm）小鼠肉瘤，含有基底膜中所有常見的ECM分子（包括層纖連蛋白、IV型膠原、肝素硫酸蛋白聚糖和巢蛋白）。Matrigel膠的ECM成分能夠激活癌症細胞中的多條信號通路，這些通路控制著血管生成、癌細胞運動和藥物敏感性。
I型膠原是另一種常用的3D細胞培養天然水凝膠。I型膠原是間質隔室和骨中常見的ECM分子。可分離自多種生物來源，包括牛皮、大鼠尾腱和人胎盤。I型膠原還可以靜電紡絲為膜，並幫助細胞進行3D生長於分化。除此以外，I型膠原和整合素受體相互作用，調節基因表達。
天然水凝膠也存在缺陷，如從動物來源，以及成分上的批次間差異。而且，它們包含著像生長因子這樣的內源生物活性成分，雖然有利於構建一些3D模型，但有些情況下也會混淆所特定的細胞表現或反應。
為了避免隨動物來源生物材料的弊端，研發出不含動物來源或利用重組核酸技術而來的基質。透明質酸（HA）是一種越來越受歡迎的生物基質。多數商業級的HA來源於細菌，高純度且同質性高。這些凝膠可通過加入ECM成分來改造，促進細胞粘附和生長。