非侵入型电生理监测与脑机接口技术的发展，为神经系统状态评估、疾病诊断及人脑功能解析提供了直接窗口。但其应用长期受制于皮肤-电极界面失配，在动态、不规则的皮肤表面（尤其是多毛头皮表面）难以实现高保真的电生理信号采集。水凝胶与液态材料初期接触良好，但内聚性差且容易脱水，信号质量在数小时内显著下降；固态材料虽稳定性好，却因难以共形接触而诱发高界面阻抗影响信号传输；近年来发展的相变材料试图在接触后由液态转变为固态，但其相变窗口窄，残余弹性仍难以适应复杂的现实监测情景。当前界面材料始终面临着液态适应性与固态稳定性的固有权衡。因此，在分子尺度上实现二者的调和，将成为神经接口性能跃升的关键突破口。

  针对上述问题，东华大学武培怡/雷周玥团队提出了焓-熵补偿策略作为柔性生物电子界面的通用热力学设计原则，并据此构建出一种具有宽频-宽温域粘弹性平台的离子凝胶。该凝胶材料通过热力学平衡实现损耗模量与储能模量的动态协调，使液态适应性与固态稳定性由相互妥协的竞争转变为协同共生的整体。材料既能够像液体渗入并贴合皮肤微结构，建立共形、低阻抗通路；又能够像固体一样稳定，在长时间佩戴中维持界面的完整一致。这一策略为非侵入型高保真神经接口开辟了全新路径，尤其在多毛发头皮区域的脑电图（EEG）监测中展现出显著优势。其固液二象特性带来的界面优势使EEG信号的信噪比较商用凝胶提升近一倍，并具有长期稳定性。

  2026年2月12日，该成果以“An enthalpy-entropy compensated ionogel with a broadband viscoelastic plateau for non-invasive and high-fidelity neurointerfaces”为题在线发表于期刊《Advanced Materials》上。东华大学化学与化工学院硕士研究生张璐薇为论文第一作者，雷周玥研究员和武培怡教授为论文通讯作者。

图1 低熵-高相互作用网络的设计与优化

  频率扫描流变曲线及时间-温度叠加主曲线显示，离子凝胶在10^-4至10⁵ Hz、-30至40 ^oC范围内维持G′≈G″的稳定平台。这意味着，在9个数量级的频率范围及所有生存环境温度条件下，材料始终处于液态流动与固态回弹的完美平衡点。动态光散射、二维低场核磁共振和原子力显微镜的结果揭示了这一非凡性能的结构本源。双连续相分离结构带来了宽广的分子弛豫时间分布，从而成为宽频焓耗散的微观起源。最终通过热力学解耦分析确认，在该体系中，焓耗散能与熵储能能在可测频率范围内保持接近1:1的动态平衡。

  这种兼具固-液特性的状态直接转化为卓越的界面性能。皮肤接触阻抗测试中，离子凝胶的皮肤接触阻抗较商用凝胶降低了一个数量级以上，且连续佩戴72小时后阻抗增幅仅为18%，而对照的商用凝胶阻抗则飙升了690%。这种界面电化学稳定性优势，为高保真电生理信号的长期监测提供了坚实保障。在肌电测试中，离子凝胶电极的信噪比达到49.3 dB，是商用水凝胶的近两倍，并且其监测信号极低的基线噪声使其能够捕捉到微小的手指屈伸动作信号。在心电测试中，离子凝胶同样以36.3 dB的信噪比显著优于商用凝胶的22.2 dB。

图2 宽带粘弹平台的结构设计与表征

图3 长期稳定性与电化学性能

图4 长期高保真的脑电图监测

  更能够体现这项研究突破性价值的，是脑电图（EEG）的获取。EEG监测历来是非侵入型神经接口的最大挑战，其信号幅值通常小于100 微伏，且需电极穿越毛发屏障与头皮的复杂曲面建立稳定接触。传统非侵入型电极的信号质量严重受限，制约了脑电解码的深度。本研究中，离子凝胶凭借其独特的粘弹平衡特性，既能够如液体般渗透毛发生成无隙界面，又能如固体般驻留原位不流动不塌陷。在枕区视觉皮层的alpha节律记录中，离子凝胶电极的信噪比高达26.3 dB，且在十二小时连续监测中基本维持不变。这不仅是界面材料的进步，更是从能够记录到可靠分析的质变。

  基于信号质量的提升，结合深度学习网络可有效聚焦EEG中的情感相关频段，最终在情绪解码任务中展现出卓越的应用潜力。使用卷积-双向长短期记忆神经网络（CNN-BiLSTM）对离子凝胶采集的高保真EEG信号进行分类，在八类情感状态的识别任务中得到了95%的分类准确率。混淆矩阵分析进一步表明，材料的高保真信号采集能力显著提升了分类器的精准度与泛化能力，为非侵入型脑电监测与情感分类应用提供了可行方案。

图5 基于高保真脑电信号的情绪识别

  本研究提出了一种热力学设计方法解决生物电子学中的适应性-稳定性的权衡难题。它结合低熵弹性网络和宽带焓耗散结构，达成宽范围下的焓-熵补偿，由此显示出跨越宽温度范围和九阶频率范围的粘弹性平台。从可穿戴设备到脑机接口，从生理信号高保真捕获到情绪监测，这项研究为柔性生物电子学技术发展提供了新的思路。

  感谢国家自然科学基金委（52573019、22305033和52433003）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（2232024A-05）对该工作的资助。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202521208