Розглянуто кінетичні моделі водообміну при заморожуванні клітин та сформульовано шляхи керування концентраційними ефектами на основі глобальних фазових діаграм. Фазова поведінка водно-сольових систем у діапазоні концентрацій, що спостерігаються в живих системах, описана в наближенні квазібінарних розчинів. Визначено принципові можливості пошуку оптимальних кріопротекторів на основі аналізу глобальної фазової поведінки водно-сольових розчинів під впливом органічних добавок. Біологічні об'єкти відображаються теплопровідним середовищем, в якому структурна неоднорідність генерується за рахунок хаотичного росту первісної локально рівноважної структури. Перехід від мікроскопічного опису до мезорівня здійснюється на підставі гіпотези про те, що коефіцієнт температуропровідності є функцією відстані та фрактальної розмірності. Розроблено підхід до вибору робочих температур кріоінструментів для мінімальної деструкції здорових тканин на підставі розв'язання зворотної задачі теплопровідності з фазовими переходами. Подано обгрунтування переваг двоступінчастого заморожування біологічних матеріалів для запобігання деструкції клітинних структур на основі методів теорії оптимального управління для кінетичних моделей процесів заморожування-зневоднення.