提供一种构建三维细胞微环境的方法及装置。该方法包括如下步骤：1)三维透明海绵支架或三维透明海绵支架阵列的建立；2)含有分子、材料、细胞及其混合物的样品液体薄层的建立；3)将1)中所述透明海绵支架或透明海绵支架阵列与2)中所述液体薄层相结合，完成样品液的装载从而实现三维微环境的构建。该方法和装置为生物医学研究和药物研发等领域对细胞在三维微环境中生长、增殖、无标记观测、功能分析等方面的研究提供简易实用平台，并快速、无损地实现了分子、材料、细胞及其混合物的三维微环境的图案化、高通量同步装载以及无标记实时观测。