本发明提供了一种三维复合细胞聚集体模型及其制备方法与应用，该模型以天然或化学合成聚合物为基质材料，制备亚微米级微球，内部包埋或表面固定细胞因子，与细胞共培养，形成含有微球的复合细胞聚集体，实现由内而外调控聚集体内细胞生物学活性。该模型可用于干细胞三维状态下增殖、分化的研究，克服了传统干细胞三维培养时由于培养基中液性因子传质不均、作用时间短而导致的细胞聚集体组成/结构非均质、细胞增殖效率低及定向诱导分化效率低的问题，可在三维立体仿生条件下模拟细胞-细胞、细胞-细胞外基质以及细胞-可溶性因子间的相互作用，为体外构建和优化干细胞培养技术，以及组织工程化构建各类组织器官类似物或等同物提供理论和技术支持。