本发明公开了一种三维灌流式细胞培养装置及其应用，包括盒体，盖体及弹性卡夹，盒体的顶面设置有第一圆形凹槽，盖体的底面设置有与第一圆形凹槽半径大小相同的第二圆形凹槽；本发明在细胞培养装置中的凹槽底面由聚酯纤维组成的脉管，细胞或组织外植体位于两层脉管之间，形成“三明治”夹心培养，用聚酯纤维组成的脉管代替支架材料，最大程度减少了细胞培养的死角体积，更符合体内的生理微环境。在培养装置盒体的侧壁，分别设置了培养液进液通道和出液通道，培养液通过进液通道流入凹槽腔内，再从出液通道流走，从而实现灌流培养。本发明的装置使新生肾皮质部位的胚胎干细胞/祖先细胞成功分化为肾小管组织。