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  非侵入型電生理監測與腦機接口技術的發展，為神經系統狀態評估、疾病診斷及人腦功能解析提供了直接窗口。但其應用長期受制于皮膚-電極界面失配，在動態、不規則的皮膚表面（尤其是多毛頭皮表面）難以實現高保真的電生理信號采集。水凝膠與液態材料初期接觸良好，但內聚性差且容易脫水，信號質量在數小時內顯著下降；固態材料雖穩定性好，卻因難以共形接觸而誘發高界面阻抗影響信號傳輸；近年來發展的相變材料試圖在接觸后由液態轉變為固態，但其相變窗口窄，殘余彈性仍難以適應復雜的現實監測情景。當前界面材料始終面臨著液態適應性與固態穩定性的固有權衡。因此，在分子尺度上實現二者的調和，將成為神經接口性能躍升的關鍵突破口。

  針對上述問題，東華大學武培怡/雷周玥團隊提出了焓-熵補償策略作為柔性生物電子界面的通用熱力學設計原則，并據此構建出一種具有寬頻-寬溫域粘彈性平臺的離子凝膠。該凝膠材料通過熱力學平衡實現損耗模量與儲能模量的動態協調，使液態適應性與固態穩定性由相互妥協的競爭轉變為協同共生的整體。材料既能夠像液體滲入并貼合皮膚微結構，建立共形、低阻抗通路；又能夠像固體一樣穩定，在長時間佩戴中維持界面的完整一致。這一策略為非侵入型高保真神經接口開辟了全新路徑，尤其在多毛發頭皮區域的腦電圖（EEG）監測中展現出顯著優勢。其固液二象特性帶來的界面優勢使EEG信號的信噪比較商用凝膠提升近一倍，并具有長期穩定性。

  2026年2月12日，該成果以“An enthalpy-entropy compensated ionogel with a broadband viscoelastic plateau for non-invasive and high-fidelity neurointerfaces”為題在線發表于期刊《Advanced Materials》上。東華大學化學與化工學院碩士研究生張璐薇為論文第一作者，雷周玥研究員和武培怡教授為論文通訊作者。

圖1 低熵-高相互作用網絡的設計與優化

  頻率掃描流變曲線及時間-溫度疊加主曲線顯示，離子凝膠在10^-4至10⁵ Hz、-30至40 ^oC范圍內維持G′≈G″的穩定平臺。這意味著，在9個數量級的頻率范圍及所有生存環境溫度條件下，材料始終處于液態流動與固態回彈的完美平衡點。動態光散射、二維低場核磁共振和原子力顯微鏡的結果揭示了這一非凡性能的結構本源。雙連續相分離結構帶來了寬廣的分子弛豫時間分布，從而成為寬頻焓耗散的微觀起源。最終通過熱力學解耦分析確認，在該體系中，焓耗散能與熵儲能能在可測頻率范圍內保持接近1:1的動態平衡。

  這種兼具固-液特性的狀態直接轉化為卓越的界面性能。皮膚接觸阻抗測試中，離子凝膠的皮膚接觸阻抗較商用凝膠降低了一個數量級以上，且連續佩戴72小時后阻抗增幅僅為18%，而對照的商用凝膠阻抗則飆升了690%。這種界面電化學穩定性優勢，為高保真電生理信號的長期監測提供了堅實保障。在肌電測試中，離子凝膠電極的信噪比達到49.3 dB，是商用水凝膠的近兩倍，并且其監測信號極低的基線噪聲使其能夠捕捉到微小的手指屈伸動作信號。在心電測試中，離子凝膠同樣以36.3 dB的信噪比顯著優于商用凝膠的22.2 dB。

圖2 寬帶粘彈平臺的結構設計與表征

圖3 長期穩定性與電化學性能

圖4 長期高保真的腦電圖監測

  更能夠體現這項研究突破性價值的，是腦電圖（EEG）的獲取。EEG監測歷來是非侵入型神經接口的最大挑戰，其信號幅值通常小于100 微伏，且需電極穿越毛發屏障與頭皮的復雜曲面建立穩定接觸。傳統非侵入型電極的信號質量嚴重受限，制約了腦電解碼的深度。本研究中，離子凝膠憑借其獨特的粘彈平衡特性，既能夠如液體般滲透毛發生成無隙界面，又能如固體般駐留原位不流動不塌陷。在枕區視覺皮層的alpha節律記錄中，離子凝膠電極的信噪比高達26.3 dB，且在十二小時連續監測中基本維持不變。這不僅是界面材料的進步，更是從能夠記錄到可靠分析的質變。

  基于信號質量的提升，結合深度學習網絡可有效聚焦EEG中的情感相關頻段，最終在情緒解碼任務中展現出卓越的應用潛力。使用卷積-雙向長短期記憶神經網絡（CNN-BiLSTM）對離子凝膠采集的高保真EEG信號進行分類，在八類情感狀態的識別任務中得到了95%的分類準確率。混淆矩陣分析進一步表明，材料的高保真信號采集能力顯著提升了分類器的精準度與泛化能力，為非侵入型腦電監測與情感分類應用提供了可行方案。

圖5 基于高保真腦電信號的情緒識別

  本研究提出了一種熱力學設計方法解決生物電子學中的適應性-穩定性的權衡難題。它結合低熵彈性網絡和寬帶焓耗散結構，達成寬范圍下的焓-熵補償，由此顯示出跨越寬溫度范圍和九階頻率范圍的粘彈性平臺。從可穿戴設備到腦機接口，從生理信號高保真捕獲到情緒監測，這項研究為柔性生物電子學技術發展提供了新的思路。

  感謝國家自然科學基金委（52573019、22305033和52433003）和中央高�；究蒲袠I務費專項資金資助（2232024A-05）對該工作的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202521208