孙思邈很重视研究常见病和多发病。如山区人民由于食物中缺碘，易患甲状腺肿大病俗称粗脖子，他认为这种病是由于山中的水质不洁净引起的，所以就用海藻等海生植物和动物的甲状腺来治疗，具有较好的效果。他对脚气病作了详细的研究，首先提出用谷白皮煮粥常服可以预防，所选择的治疗脚气病的药物效果很好。在长期的实践中，孙思邈还总结出治疗痢疾、绦虫、夜盲等病症的特效药方。在太白山中居住时，孙思邈亲自采集药材，研究药物性能。他认为适时采药极为重要，早则药势未成，晚则药势已竭，依据丰富的药学经验，确定出二百三十三种中药材适当采集的时节。
孙思邈对针灸术也颇有研究，着有《明堂针灸图》，以针灸术作为药物的辅助疗法。他认为“良医之道，必先诊脉处方，次即针灸，内外相扶，病必当愈。”积极主张对疾病实行综合治疗。
在研究医学的过程中，孙思邈把硫磺、硝石、木炭混合制成粉，用来发火炼丹，这是华夏现存文献中最早的关于火药的配方。他在所着《丹经内伏硫黄法》一文中，记述了伏火硫黄法的制作方法。
孙思邈还对良医的诊病方法做了总结：“胆欲大而心欲小，智欲圆而行欲方。”“胆大”是要有如赳赳武夫般自信而有气质；“心小”是要如同在薄冰上行走，在峭壁边落足一样时时小心谨慎；“智圆”是指遇事圆活机变，不得拘泥，须有制敌机先的能力；“行方”是指不贪名、不夺利，心中自有坦荡天地。
在临床实践中，孙思邈总结出了许多宝贵的经验，如“阿是穴”和“以痛为腧”的取穴法，用动物的肝脏治疗夜盲症，用羊的甲状腺治疗地方性甲状腺肿，用牛乳、豆类、谷皮等防治脚气病；对于孕妇，提出住处要清洁安静，心情要保持舒畅，临产时不要紧张；对于婴儿，提出喂奶要定时定量，平时要多见风日，衣服不可穿得过多等等。这些主张，时至今日仍有现实意义。
孙思邈对古典医学有深刻的研究，对民间验方十分重视，一生致力于医学临床研究，对内、外、妇、儿、五官、针灸各科都很精通，有二十四项成果开创了华夏医药学史上的先河，特别是论述医德思想、倡导妇科、儿科、针灸穴位等都是前人未有。
1.医学巨着《千金方》是华夏历史上第一部临床医学百科全书，被学者推崇为“人类之至宝”。
2.第一个完整论述医德的人。
3.第一个倡导建立妇科、儿科的人。
4.第一个麻风病专家。
5.第一个发明手指比量取穴法。
6.第一个创绘彩色《明堂三人图》。
7.第一个将美容药推向民间。
8.第一个创立“阿是穴”。
9.第一个扩大奇穴，选编针灸验方。
10.第一个提出复方治病。
11.第一个提出多样化用药外治牙病。
12.第一个提出用草药喂牛，而使用其牛奶治病的人。
13.第一个提出“针灸会用，针药兼用”和预防“保健灸法”。
14.系统、全面、具体论述药物种植、采集、收藏的第一人。
15.第一个提出并试验成功野生药物变家种。
16.首创地黄炮制和巴豆去毒炮制方法。
17.首用胎盘粉治病。
18.最早使用动物肝治眼病。
19.第一个治疗脚气病并最早用彀树皮煎汤煮粥食用预防脚气病和脚气病的复发。
20.首创以砷剂治疗疟疾病。
21.第一个提出“防重于治”的医疗思想。
22.首用羊餍治疗甲状腺肿。
23.是华夏历史上第一位深入民间，向群众和同行虚心学习、收集校验秘方的医生。
24.第一个发明导尿术。
孙氏认为“人命至重，有贵千金，一方济之，德逾于此”，故将他自己的两部着作均冠以“千金”二字，名《千金要方》和《千金翼方》。他汲取《黄帝内经》关于脏腑的学说，在《千金要方》中第一次完整地提出了以脏腑寒热虚实为中心的杂病分类辨治法；在整理和研究张仲景《伤寒论》后，将伤寒归为十二论，伤寒禁忌十五条，为后世研究《伤寒杂病论》提供了可循的门径，尤其对广义伤寒增加了更具体的内容。他创立了从方、证、治三方面研究《伤寒杂病论》的方法，开后世以方类证的先河。
《千金要方》三十卷，全书合方、论五千三百首，集方广泛，内容丰富，书中内容既有诊法、证候等医学理论，又有内、外、妇、儿等临床各科；分二百三十二门，已接近现代临床医学的分类方法。既涉及解毒、急救、养生、食疗，又涉及针灸、按摩、导引、吐纳，可谓是对唐代以前中医学发展的一次很好的总结。《千金要方》是唐代医学发展中具有代表性的巨着，对后世医学特别是方剂学的发展，有着明显的影响和贡献；《千金要方》是华夏最早的医学百科全书，从基础理论到临床各科，理、法、方、药齐备。一类是典籍资料，一类是民间单方验方，时至今日，很多内容仍起着指导作用。《千金要方》是对方剂学发展的巨大贡献。书中收集了从张仲景时代直至孙思邈的临床经验，历数百年的方剂成就，特别是源流各异的方剂用药，显示出孙思邈的博极医源和精湛医技。后人称《千金方》为方书之祖。
《千金翼方》三十卷，是孙思邈晚年着作，系对《千金要方》的全面补充。全书分一百八十九门，合方、论、法二千九百余首，内容涉及本草、妇人、伤寒、小儿、养性、补益、中风、杂病、疮痈、色脉以及针灸等各个方面，尤以治疗伤寒、中风、杂病和疮痈最见疗效。
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